单原子银催化剂引领甲醛去除新突破

以环境系唐幸福副教授为主的课题组在国家自然科学基金的大力资助下,研究生黄志伟和本科生胡萍萍同学成功研制出单原子银催化剂,该催化剂在低温下就能将甲醛分解成二氧化碳和水,研究证明该单原子催化剂具有较高的催化活性和稳定性.该研究成果最近在线发表于国际知名学术杂志Angew．Chem．Int．Ed．     

单原子分散贵金属催化剂的光化学合成新策略

正如何提高贵金属催化剂的原子利用率和反应活性是贵金属催化研究中的核心问题.理论上,贵金属分散的极限是以单原子的形式担载在载体上,使每个原子都能成为反应的活性中心,从而实现100%原子利用率.但由于单原子的表面能很高,极易团聚,导致目     

乙炔三聚环化制苯反应机理的理论研究

采用密度泛函方法研究两种单原子催化剂PdMg4O4和PdMg14O13催化乙炔三聚环化制苯的反应机理,在B3LYP/Lanl2dz水平下优化得到反应通道上各驻点(反应物、中间体、过渡态和产物)的几何构型,计算结果表明:该反应为单重态反应放热过程.在反应过程中,电子从单原子催化剂流向CnHn(n = 2,4,6),即单原...     

金属有机框架衍生单原子纳米酶的合成、表征与生物应用研究进展

单原子催化剂（SACs）具有高原子利用效率以及高催化活性，在各种催化体系中均表现出优异的性能.其原子级别的活性位点与天然的金属蛋白酶类似，因此单原子纳米酶（SAzymes）的概念也应运而生.而金属有机框架（MOF）由于其具有高孔隙率的特点，可以作为合成SAzymes的前驱体.该文总结了使用MOF前体/模板构建SACs的合成策略，以及SAzymes的生物应用，提出了基于MOF衍生的SAzymes的发展挑战和前景.     

铜基催化剂在电还原二氧化碳领域的应用研究

为了实现碳达峰碳中和的国家战略,利用可再生能源发电将二氧化碳电催化转化为化学品再利用,这引起了科学界的广泛关注.铜基催化剂可将二氧化碳电还原为高附加值的多碳产物,但仍需研究其催化机理来提高催化产物的选择性和催化效率.根据铜的状态可将铜基催化剂分为单原子铜基催化剂、定向晶面铜基催化剂、氧化态铜基催化剂和铜合金/复合催化剂.本文简要介绍了以上4类铜基催化剂的常见制备方法、结构特点、电催化还原二氧化碳的效果和可能的催化机理.     

金原子簇催化应用的研究进展

在最近的10年里,原子精确的金原子簇(AunLm,L为有机配体)已经被证明是一种新型的纳米金催化剂.不同尺寸的AunLm催化剂表现出独特的电子和晶体结构,为关联催化性能和催化剂结构的内在关系及研究纳米金催化的化学反应机制提供了新的研究平台.在这篇综述中,主要介绍金原子簇催化剂在催化反应中的应用,如选择性氧化和加氢,及C—C偶联反应等,同时,也讨论金原子簇催化剂的尺寸效应、配体效应(例如,芳香族vs脂肪族)、杂金属掺杂(如铜、银、钯、铂)等.最后,在原子尺度上研究了金原子簇催化的反应机制以及结构-活性的构建关系.     

单原子合金催化剂热稳定性的反应力场分子动力学研究

通过反应力场(ReaxFF)模型分子动力学模拟,研究了负载模型和掺杂模型单原子催化剂(分别记为M_1/Cu(111)和M_1@Cu(111),M=Pt,Ni,Ag,Fe)的热稳定性.模拟结果显示:对于M_1@Cu(111)掺杂模型,Pt(Ni,Fe)_1@Cu(111)的稳定性远高于Ag_1@Cu(111),温度大于500K时依旧可以保持稳定.而负载模型M_1/Cu(111)除了Fe_1/Cu(111)以外,其余模型在100～500K的温度范围中均无法保持稳定,单个金属原子会在Cu(111)表面迁移并相互聚集最终形成纳米颗粒.同时发现,随着温度的升高,Fe不同于其他金属单原子的烧结过程,会向亚表层扩散,进入合金体相.此外,还优化了Cu/Pt/H/O的力场参数,并研究了H_2气氛对单原子催化剂(SAA)催化剂模型表面稳定性的影响,发现H_2气氛的存在导致M_1@Cu(111)模型稳定性降低.理论模拟结果发现M_1/Cu(111)型SAA催化剂即使在低温下也不是一个很好的候选催化剂,而多数M_1@Cu(111)型催化剂在较高温度下依旧可以保持稳定.     

高灵敏度低能离子散射谱在多相催化研究中的应用

多相催化反应大多在催化剂表层发生,研究催化剂的表面组成、结构、化学态和催化性能之间的关系对于设计、优化工业催化剂具有重要意义.高灵敏度低能离子散射谱(HS-LEIS)既可测定样品(包括粉末及块状样品、导体和半导体等)最外原子层的元素组成和相对含量,又可推断催化剂的表面结构,因此被广泛应用于各类催化反应研究中.本文介绍了HS-LEIS的基本原理,并概述了其在催化研究中的一些应用,包括催化剂表面组成、表面活性位、双金属催化剂表面偏析和表面结构、核壳结构等的研究.同时还对比分析了目前在表面研究中应用广泛的X-射线光电子能谱(XPS)和HS-LEIS表征结果的差异,进一步说明HS-LEIS能够更为准确地获得催化剂表面的真实情况.     

实际气体的单泡超声空化动力学方程及其数值分析

本文在RPNNP方程的基础上,应用范德瓦耳斯方程和实际气体的绝热方程,修正了RPNNP方程,得到了实际气体的单泡空化动力学方程.通过简化该方程,运用4-5阶Runge-Kutta数值方法,以双原子气体和单原子气体为研究对象,分析了实际气体条件下,范德瓦耳斯常数、对单泡超声稳态空化、瞬态空化动力学过程的影响,在此基础上得出了具有一定意义的结论.     

单原子催化剂光还原二氧化碳研究进展

光催化将CO₂转化为有价值的化学燃料得到广泛研究，但光子吸收效率差、光生电子-空穴对容易复合、活性位点缺乏等问题，限制了光催化剂的催化性能.单原子催化剂(SACs)由于在增强光催化系统的捕光、电荷转移动力学和表面反应方面具有明显的优势，且金属以单原子形式负载在载体上，因此对提高CO₂还原效率具有重要意义.综述了SACs的分类、主要表征手段及其光催化还原CO₂的反应机理，并讨论了SACs的发展前景.     

高能锂硫电池正极催化剂、负极保护材料的分析与展望

锂硫电池具有能量密度高、成本低、环境污染少等优势,是过去十年里最引人关注的储能系统之一,被认为是极有前途的新型二次电池。近年来,随着电动汽车的飞速发展,对高性能、长寿命电池的研究提出了极高的要求,锂硫电池的天然优越性能够满足该要求,并且展示了广泛的应用前景。然而由于电池运行过程中仍然存在着电极-电解质界面化学难以控制的问题,如何提高电池的性能和寿命引起了研究人员的广泛关注。随着各种类型高效正、负极材料的提出,锂硫电池的未来具有很好的发展前景。文章综述和讨论了最近的研究成果,从正极异质结构催化剂、单原子催化剂和负极保护材料这3个方面全面总结了用于高活性锂硫电池的催化剂最新进展。其中：异质结构催化剂不仅可以将两种功能互补或相互增强的材料结合在一起,而且在界面处具有内部电场,可以增强锂电池中多硫化锂转化反应的动力学;单原子催化剂由于其在结构-活性关系和反应机理中的原子级适用性及具有原子精度的结构可调性为解决锂硫电池多硫化锂的穿梭等问题提供新的策略;负极材料不仅可以抑制多硫化锂的穿梭,而且可以稳定金属锂的表面。     

原子级单分散Fe催化剂的高效合成及在可见光下染料降解性能的研究

传统铁基催化材料制备流程的复杂性和染料降解过程中所产生的二次污染问题一直困扰着人们。基于此,通过可控热解法制备了一种单分散Fe原子锚定于氮掺杂碳骨架的新型光敏催化剂。物理吸附仪、透射电镜和X-射线粉末衍射等多种表征技术证明合成的催化剂具有高比表面积及丰富且高度暴露的Fe活性位。该单分散Fe催化剂在30 min内对罗丹明B的降解率达到96.8%且循环反应8次活性变化不大。这种单分散Fe催化剂及其简便且高效的制备方法在快速降解工业有机染料方面具有潜在应用价值。     

金属纳米团簇在电化学领域的应用研究进展

尺寸小于2nm的金属纳米团簇是由几个到几百个原子组成的纳米结构材料.对于金属纳米团簇,由于其大部分甚至所有金属原子可能暴露于表面而具有高的表面原子比例,该独特的原子堆积结构使其具有高的表面活性,因此其在催化反应中具有重要应用价值.同时,其明确的原子排列和堆积结构使其可作为模型催化剂,用于研究纳米结构-性能之间的关系.笔者简要总结了近年来金属纳米团簇的研究进展和现状,重点总结了其在电化学领域的应用,包括电催化和电化学传感,最后对其未来在电催化和电分析领域的应用前景进行了展望.     

空位缺陷对单层石墨烯薄膜拉伸力学性能的影响

采用Tersoff势对完美的和含空位缺陷的单层石墨烯薄膜的单向拉伸力学性能进行了分子动力学模拟,分别研究了单个单原子空位缺陷和单个双原子空位缺陷对扶手椅型和锯齿型石墨烯拉伸力学性能及变形机制的影响.研究结果表明,单原子空位缺陷和双原子空位缺陷对扶手椅型和锯齿型石墨烯薄膜的杨氏模量没有影响,但在一定程度上降低了拉伸强度和拉伸极限应变.单原子空位缺陷和双原子空位缺陷使拉伸强度降低幅度最高达8.10%和6.41%,并大幅度降低极限应变.缺陷对石墨烯的拉伸变形破坏机制也有一定的影响.在外载作用下,新的缺陷的萌生位置均出现在空位缺陷附近.     

FCC废催化剂及磁分离后性能研究

在前人研究的基础上,应用原子吸收分光光度法对磁分离后的催化剂中铁、镍的含量进行了测试和分析.并研究了磁分离后催化剂中重金属含量对磁化率、比表面积、活性等性能的影响,得出如下结论:分离点前部分的催化剂中重金属(Fe、Ni)的平均含量和磁化率比平衡催化剂分别降低了18.0%,61.0%左右,BET比表面积比平衡催化剂增加了26.6%左右.本研究中应用的小型实验装置的最佳操作条件为:磁场强度>12000高斯,平均给料量4.0~12.0g·min-1,磁辊转速22.88r·min-1,接料槽高度4.0cm.以磁辊轴线正下方为中心分离线,其前部分分离后的催化剂基本符合回用条件,可以回用.     

Cu-Fe合金单原子链结构稳定性和磁性的第一性原理研究

基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算,系统地研究了轴向应力作用下均匀交替构型和非均匀二聚体构型Cu-Fe合金单原子链的结构稳定性和磁性.均匀交替构型Cu-Fe合金单原子链在较大的原子间距范围内能够稳定存在,而二聚体构型Cu-Fe~*合金单原子链中易于形成Fe_2二聚体结构,稳定性较低.Cu-Fe合金单原子链在应力拉伸作用下由锯齿形结构向直线形结构转变的同时,其磁耦合特性也由铁磁耦合转变为反铁磁耦合.电子结构的分析表明Cu原子和Fe原子间的轨道杂化和电荷转移导致了Cu-Fe合金单原子链的高稳定性.     

高能量分辨率扫描隧道谱的发展及其在单自旋态和低维超导电性研究的应用

在发展高能量分辨率扫描隧道谱的基础上,实现了基于自旋翻转的非弹性隧道谱,从而实现了对单自旋态的探测,并成功在单分子尺度上研究了自旋间的超交换作用.还探测到了磁性原子在超导能隙中诱导的多重束缚态,并利用这些束缚态在单原子尺度上研究了自旋间的相互作用,在实空间实现了对单个原子的化学识别.利用低温扫描隧道谱,证明生长在Si基片的单原子层厚的铅和铟薄膜为超导体,这是至今报道的最薄的超导体.     

氨基膦酸的不对称合成

系统地介绍了合成手性氨基膦酸的方法.这些方法是:从氮原子或磷原子一端引入手性源;应用手性催化剂;应用手性模板以及手性氨基化合物.     

贵金属合金单原子链结构稳定性的第一性原理研究

利用第一性原理计算方法,系统地研究了平面锯齿型贵金属Au-Ag、Au-Cu和Ag-Cu合金单原子链的结构稳定性.采用弦张力标准而非传统的能量标准确定合金单原子链的稳定性,有限长悬空Au-Ag和Au-Cu合金单原子链的弦张力在轴向原子间距分别为0.24nm和0.23nm时出现极小值,所对应的锯齿型结构稳定性较高,而悬空Ag-Cu合金单原子链的弦张力不存在极小值,因此在实验上是不易制备的.计算结果表明Au元素的相对论性效应和两尖端电极间弦张力的共同作用可以有效抑制纳米材料的"自净效应",从而导致稳定Au-Ag和Au-Cu合金单原子链的形成.     

“单原子相”金属氢的第一性原理研究

系统研究了"单原子相"金属氢的结构、电子行为、动力学和电子—声子耦合特性.此结构被认为是最为可能的高压单原子相结构.通过超导电性的系统分析指出"单原子相"金属氢中存在着强烈的电子—声子相互作用.当压强P=539 GPa时,超导转变温度达到291.40 K,接近于室温超导体.