华东理工大学应用化学一流专业建设的思考与实践

建设高水平本科教育、全面提高人才培养能力,实施一流本科专业“双万计划”具有重要意义。华东理工大学应用化学专业自1985年成立以来,形成了鲜明的专业特色,本文从专业培养目标定位、专业综合改革措施等方面总结了专业改革的思路、实践的经验和取得的成效,并指出了专业建设的不足和持续改进的方向。

分子工程和化学工程

分子工程从分子水平研究产品的设计和开发以及过程的设计和开发问题，在化学工程领域中，是一个活跃的前沿。它的重要基础是分子结构与热力学性质、传递性质以及反应动力学性质之间的定量关系。研究这些关系分别是分子热力学、分子传递现象和分子反应动力学的任务。本文着重讨论它们的进展。

HAN基单组元推进剂热分解过程的分子动力学模拟

为揭示非催化点火方式的硝酸羟胺(HAN)基单组元液体火箭发动机内推进剂的反应机理,采用分子动力学模拟方法,在ReaxFF/lg力场下对HAN基推进剂热分解机理及配方影响作用机制开展研究。计算结果表明:推进剂热分解过程存在两个阶段。第一个阶段为吸热阶段,推进剂内硝酸羟胺和硝酸肼氢键断裂,分解生成羟胺、肼和硝酸,吸热阶段主要受推进剂内氢键个数影响;第二个阶段为推进剂分解反应阶段,由硝酸和羟胺的分解所引发,生成NH_(2)、NO_(2)和OH。OH为主要的氧化性物质,与肼、甲醇反应,生成大量的水。肼在推进剂中的分解主要依靠与OH反应脱氢,生成N_(2)H_(3),并最终分解形成N_(2)和H_(2)。推进剂配方仅对与OH的反应有显著影响。降低甲醇的含量,能够显著提升燃料的反应速率,同时促进肼分子的反应脱氢,提高推进剂初始分解速率;提高硝酸羟胺的含量能够促进甲醇的分解,但受肼分解反应速率较低的影响,推进剂整体分解速率降低。

“101计划”分析化学核心知识体系建设探索

教育部启动了化学等8个基础学科系列“101计划”以来,湖南大学作为“101计划”分析化学课程的牵头单位,凝聚国内27所获批化学领域“拔尖计划2.0”基地高校,开展课程、教材建设,推动课堂提升计划实施。本文较为详细地介绍了团队面向化学拔尖人才培养系统凝练的分析化学核心课程知识体系,11个模块48个核心知识点的教学内容和目标,课程总体教学目标和建设进展等。

分子印迹电化学传感器对食用油中塑化剂邻苯二甲酸二异壬酯的快速检测

邻苯二甲酸酯类塑化剂(PAEs)是塑料制品加工中常用的添加剂,食用油、乳制品等食品行业大量使用塑料包装材料,存在塑化剂泄漏风险。本文以邻苯二甲酸二异壬酯(DINP)为典型的塑化剂目标分子,通过量化计算筛选分子印迹聚合物(MIP)单体;采用一锅法自由基聚合得到含DINP的分子印迹聚合物(DINP-MIP),其对DINP的吸附等温线符合Langmuir模型,饱和吸附容量为8.61mg/g,是非印迹聚合物(NIP)的2倍以上。将该分子印迹聚合物修饰丝网印刷电极(SPE),获得了可快速检测塑化剂的分子印迹电化学传感器(DINP-MIP/SPE)。在DINP浓度为0.05×10^(-6)~0.7×10^(-6)mol/L范围内,检测电流差与浓度具有优异的线性规律,DINP检出限可达0.117mg/kg。在实际食用油检测中,空白加标回收率为104.9%~106.6%,标准偏差RSD为4%~6%,表明分子印迹电化学传感器在塑化剂快速检测中具有优异的实用价值。

基于绿色化学理念的催化原理课程教学探索

在“双碳”目标背景下,培养学生的绿色化学意识,成为新时代催化专业人才培养的必然要求。笔者从实际案例出发,围绕绿色化学的原料、产品以及工艺展开分析,将绿色化学理念融入催化原理课程教学中。这样不仅能让学生深入了解绿色化学理念的内涵,还能提高学生开展绿色催化研究的能力,同时能培养学生的社会责任感和时代使命感,使学生树立绿色工程观。

新型杂合四芳烯光控分子开关的设计合成与性能测试

围绕分子开关及聚集诱导发光的科研热点领域进行本科教学实验设计,将光致变色二芳烯巧妙嵌合于具有聚集诱导发光性能的四芳烯体系中,制备得到兼具变色和发光功能的新型杂合四芳烯光控荧光分子开关,科教融合,将科研前沿引入到本科实验教学。从物质的制备、分离提纯、结构表征和性能测试等方面进行了综合实验探索。本实验分子设计简练新颖,内容丰富,现象明显,在综合运用和巩固本科学习的基本理论和基本操作的基础上,激发学生的科研兴趣,培养团结协作和突破创新的科学精神。

解析单颗粒电化学分步电子转移步骤用于识别电催化剂本征活性

揭示电催化剂本征活性对于量化其构-效关系至关重要.传统的整体表征方法只能提供大量纳米颗粒(NP)的平均性能,并且通常难以排除添加剂的贡献.单颗粒碰撞电化学(SNCE)技术能够有效地在单NP水平上揭示电催化剂活性.尽管SNCE领域已取得了很大的研究进展,但目前人们对其反应中的电子转移过程认识尚不充分,难以提供NPs结构与活性之间的定量关系.本文以铂纳米颗粒(PtNPs)氧还原反应(ORR)作为SNCE过程的模型体系,通过构建功能化锥形碳微米电极(CNE)界面,有效地调控了ORR电催化过程,揭示了SNCE分步电子转移在调节单个PtNP表观ORR活性中的重要作用.分别采用化学刻蚀和元素功能化技术调控CNE界面的表面粗糙度和氮元素掺杂组成,构筑了光滑碳电极(s-CNE)、粗糙碳电极(r-CNE)、光滑氮掺杂碳电极(sN-CNE)和粗糙氮掺杂碳电极(rN-CNE)四种功能化电极界面.实验表明,单个PtNP在s-CNE、r-CNE、sN-CNE和rN-CNE这四种功能化CNE界面上产生的ORR电流强度依次增大(即s-CNE<r-CNE<sN-CNE<rN-CNE),且在rN-CNE表面达到了扩散控制的极限电流.这一发现证明了,通过对电极界面进行功能化处理可以显著提升PtNPs的ORR性能,这是由于单个PtNP的ORR总反应速率受决速步控制.密度泛函理论计算和表征结果表明,对电极界面进行表面粗糙化处理或氮元素掺杂可以分别调控SNCE电催化中的单步电子转移过程,即增强NP与电极间的电子传递速率或NP的异相动力学速率.为深入解析这一复杂过程,构建了一个多物理场理论模型.该模型将NP与电极间的电子转移、NP表面的异相电子转移以及溶液中的物质传递作为SNCE过程中的连续步骤.通过将理论模拟与高分辨电化学测量相结合,成功量化了SNCE分步电子转移步骤的相应参数,包括NP与电极间的接触电阻、NP的异相动力学常数以及NP与电极间的吸附概率,从而明确了提高电催化剂本征活性的决速步.综上所述,本文通过单颗粒电化学测量和多物理场理论模拟,深入探究了SNCE分步电子转移过程,在单NP水平上识别了电催化剂的本征活性.同时,利用分步电子转移模型量化了电催化剂构-效关系,从而为合理设计和开发高效纳米催化剂提供启示.

揭示“声-物理-化学”的本质:超声辅助过程中的空化和振动效应

超声辅助工艺在清洗、合成、催化等领域得到广泛应用,展现出巨大的应用潜力.然而,人们对于超声辅助过程中反应机理的认识和理解仍然不足,这在一定程度上限制了其进一步的推广应用.此外,当前对于超声辅助过程关键问题的研究仍然存在一些被忽略之处,例如协同指数计算、成本评估等.基于此,将对超声辅助过程中的反应机理及这些被忽视的关键问题进行深入探讨和强调.在深入探究空化和振动效应这两个超声核心特征的基础上,本文全面回顾了超声辅助过程的研究现状,详细阐述了空化和振动的基本原理,并梳理了当前超声辅助工艺的研究进展.同时,从多个维度探讨了超声辅助工艺潜在的研究方向,并提出了以“声-物-化”为指导理念,旨在通过超声辅助工艺与其他领域的深度交叉融合,实现催化过程中的重大突破.特别是,本文详细介绍了“压电耦合高级氧化实现废水修复同步高效产氢”这一新兴技术,展现了超声在环境修复和能源生产领域的巨大潜力.针对该技术,本文提出以下展望:(1)在解析超声辅助过程的反应机理时,应明确识别并区分是否存在压电效应,以深化对反应机制的理解,提高超声辅助技术的效率和可控性;(2)超声辅助降解过程的重点研究应聚焦于协同指数计算、成本评估、仪器参数规格说明和新污染物的扩展等方面,以提升技术的实用性和经济性;(3)鼓励将人工智能等前沿技术整合到超声辅助过程中,以优化操作策略并获得最佳方案;(4)除了降低成本外,超声辅助过程还能促进高附加值产品的获取,并通过能量回收和再利用的方式,为降低碳排放做出贡献,从而助力实现降碳目标.(5)通过与不同领域的深度交叉,鼓励超声辅助催化工艺的创新扩展,特别是,通过耦合压电催化和高级氧化技术,实现废水修复过程中的能量和物质的回收,进而实现废水的资源化利用.(6)积极研发适用于超声辅助工艺机理研究的更精确的表征方法,如原位表征技术等,以减少或避免超声高能量输入对精密仪器的潜在损害.(7)利用模拟和密度泛函理论计算等手段,深入研究超声对催化过程的动态影响,为超声辅助工艺的优化提供科学依据.综上,本文以“声-物理-化学”的跨学科视角,深入剖析了超声辅助过程中的反应本质,不仅加深对其反应机理的理解,而且为超声辅助技术的广泛应用提供了理论支撑和新的思路.

手性菲咯啉配体促进的铁催化的分子内不对称C(sp^(3))-H键胺化反应

手性咪唑烷酮类化合物是生物活性分子中一类重要的含氮杂环衍生物,可以转化成具有重要价值的手性1,2-二胺,发展手性含氮杂环化合物的不对称催化合成方法在药物研发中具有重要意义。本文以丰产过渡金属铁为催化剂,以手性氨基酸衍生的菲咯啉为配体,通过分子内1,5-氢迁移实现了N-苯甲酰氧基脲类衍生物的不对称C(sp^(3))-H键胺化反应,以中等至良好的收率(高达68%)和对映体比率(高达81:19)合成了一系列手性咪唑烷酮衍生物。这是极少数已知的利用非酶类铁催化剂实现的不对称C(sp^(3))-H键胺化反应之一。

基于苯并噻二唑的共轭高分子材料的合成及其阻变存储性能

设计合成了一种新的基于苯并噻二唑的电子给体(D)-电子受体(A)型高分子阻变存储材料聚{[4,4′-(2,7-二苯基-9H-芴-9,9-二基)双(N,N-二苯基氨)]-alt-[4,7-双(4-正十二烷基-5-乙烯基噻吩-2-基)-苯并[c][1,2,5]噻二唑]}(PFVT)。以PFVT为活性材料制备的Al/PFVT/ITO(ITO:氧化铟锡)器件在室温下展现了非易失性阻变存储(RRAM)性能。器件经过50次开启、关闭循环操作,获得的平均开启和关闭电压分别为(-0.54±0.01) V和(2.42±0.05) V,电流开/关比为1.50×103。在循环操作期间的编程电压变化小于2.1%,器件展现出优良的可靠性。经200℃退火处理后,薄膜材料的结晶性增加,器件的平均开启和关闭电压减小,分别为(-0.49±0.01) V和(2.27±0.02) V。器件存储机制归属于电场诱导的分子内电荷转移。利用空间电荷限制电流模型和欧姆电流模型可以分别完美拟合OFF态和ON态电流。为了比较,用苯环替代高分子结构中的9,9-二(4-二苯胺基苯基)-芴单元,合成了聚{4-(4-十二烷基-5-(4-甲基苯乙烯基)噻吩-2-基)-7-(4-十二烷基-5-(丙烯-1-基)噻吩-2-基)苯并[c][1,2,5]噻二唑}(PPVT),该材料展现出类似的阻变存储性能。与PFVT相比,PPVT的开启电压明显变大,而电流开/关比则小了一个数量级,用苯环取代大体积芴单元后材料的热稳定性急剧下降,带隙增大。

单层多孔石墨烯膜结构对C_(2)烃气体分离性能影响的分子动力学研究

利用分子动力学模拟研究了孔径、孔形状、官能团修饰对纳米多孔石墨烯膜分离C_(2)烃气体的效率和选择性的影响。结果表明:孔径为0.444~0.484 nm的石墨烯膜对乙烷的截留性能较好,乙烯的通过率较高;圆形孔石墨烯膜具有较高的气体通过效率,扁平孔石墨烯膜具有较高的气体分离的选择性;孔短径为0.510 nm、孔长径为1.164 nm的石墨烯膜对乙烷的截留性能较好,其乙烯通量较大;孔径为0.596 nm且孔口周围带有两个羧基的石墨烯膜对乙烯的截留性能较好,乙炔的通过率较高。所得模拟结果为设计高效、高选择性分离C_(2)烃气体的单层多孔石墨烯膜提供理论依据。

分子动力学模拟加热卷烟气溶胶团簇微结构

【目的】分析加热卷烟气溶胶的形成机理。【方法】利用分子动力学模拟研究3个牌号的气溶胶团簇聚集情况和形成团簇时水、丙二醇、甘油、尼古丁等分子之间的相互作用。【结果】(1)随着气相密度的增加,团聚过程的速率增快,形成的团簇也较大。(2)团簇的核心主要是水分子,丙二醇和甘油起到桥梁嫁接作用,尼古丁包裹在团簇的最外层。(3)团簇中的分子之间主要以氢键作用连接,尼古丁与水分子之间的氢键作用处于动态稳定状态。

咔唑基席夫碱类化合物合成与分子内可交换氢键(ITP)对吸收和荧光光谱的影响

对于分子探针试剂来说,实现可见光波长范围内的激发-发射,是应用于生物活体的前提条件。咔唑是光敏试剂和生物试剂的重要基体,广泛应用于光敏染料和药物合成。基于分子内强烈氢键效应(SHB)能够显著红移分子吸收与荧光波长的策略,在咔唑席夫碱分子内引入可交换质子官能团(ITP),合成了35个新席夫碱化合物,通过1HNMR、13 CNMR、HRMS、IR进行了表征,确认了其结构。对它们在紫外-可见光吸收性质进行了研究,考察了不同取代基的影响,发现基于SHB的扩环效应导致吸收-发射波长红移到可见光区,ITP效应降低了咔唑环能级差导致吸光强度下降,而相应的荧光发射研究结果则表明,SBH的扩环效应使得荧光发射光谱大幅度红移。具有SHB扩环效应的分子,荧光发射强度也大大增加。与单咔唑相比,双咔唑基席夫碱体系中不管桥结构是柔性的还是刚性桥基,咔唑环上引入—OH的分子都实现了可见光区激发→荧光发射调控。

硫醇和硫醚的沸点与分子结构之间关系的拓扑化学研究

根据分子拓扑学原理,用染色因子标识原子性质的差异,发展了一种适用于含杂原子分子体系结构性能关系研究的新方法。据此探讨了硫醇和硫醚的沸点与分子结构之间的关系,提出一个既能合理表征结构性能关系、又能预测沸点的定量关系式。

纳米孔道单分子电化学信号在线识别与分析研究

为实现纳米孔道单分子检测中对微弱电流信号的快速精准处理,考察了纳米孔道实验数据的信号特征,提出了基于双缓冲数据结构和有限冲击响应滤波的实时自适应阈值法,并基于这一算法设计了纳米孔道信号在线识别与分析系统,实现了实验数据实时采集存储和信号在线分析处理的同步进行。为验证所建立的纳米孔道信号在线识别和分析系统性能,采用噪音为20~100 p A和带宽区间为3~100 k Hz的仿真信号进行信号识别分析。结果表明,本系统能够满足强噪声、低带宽、高采样率(250 k Hz)环境下对实验数据处理的要求。将此系统应用于单个poly(dA)_4分子的Aerolysin纳米孔道分析实验中,实验结果表明,本系统能够对大数据量的纳米孔道实验数据进行实时、快速、精准的分析处理。

中国大学本科应用化学专业发展历程纪要

本文简述了我国本科应用化学专业建设历程。以期为专业定位、培养目标与培养规格、教学内容与课程体系的改革与建设,为应用化学专业教育的持续、健康发展,特别是应用化学特色专业建设点的建设,提供了有利于承上启下、继往开来的借鉴。

浅析大学化学教学中常见碳正离子的稳定性

碳正离子的稳定性是大学有机化学教学中的一个重点。针对当前不同教材和教学资料排序不一致的情况,本文在综合分析文献的基础上,通过定性和定量数据两方面分析,结合实际反应结果,尝试给出了各种常见碳正离子较为合理的稳定性顺序和相应解释。

浅谈有机化学的教学与大学生科学素养的提高

根据我国理工高等教育的现状和有机化学学科的特点,我们结合自身的教学实践,改进现有的教学方法,激发学生学习兴趣,在科学的学习方法、思维能力、动手能力、社会责任感、科学人文精神等多方面培养提高大学生的科学素养。

面向21世纪教育改革——中学化学与大学化学教学内容衔接的思考

通过研究近年来中学化学教育改革和教材变化的新特点，提出了在面向２１世纪高等工科化学课程改革中，大一化学与中学化学在内容衔接上应注意的一些问题和建议。