关于高校材料化学类实验室危险化学品安全管理的思考

危险化学品的规范使用是高校实验室安全工作的重点,但有些高校危险化学品管理仍存在一些常见的问题。以天津理工大学新能源材料与低碳技术研究院实验室为例,针对这些问题提出了相应的安全管理策略。从危险化学品管理制度、基础硬件设施、安全培训以及信息化管理等角度探索了高校材料化学类实验室危险化学品安全管理体系新模式,为师生安全、平稳、有序顺利开展教学科研实验提供保障。

基于科研平台的新能源材料与器件专业本科实验教学改革探索

新工科建设旨在培养具有较强动手能力与独立思考能力的创新型人才。从新能源材料与器件专业本科生培养创新实践能力过程中的问题出发,介绍了以高水平科研平台为依托,以材料、化工、化学、电子等交叉学科中相关知识为基础,以培养学生基础实验技能、综合实践能力以及全面创新能力为目标,优化实验教学目标与课程设置方式,改革实验教学模式。以创新创业课题完成为目标导向,多层次多维度提高学生综合创新能力,为培养适应新时代新工科发展要求的复合型、应用型人才提供新思路。

“两山”理念有机融入工科综合实验的课程思政探究

课程思政是我国当前高等教育教学改革的重点,如何将思政元素有机地融入到工科实践课程是课程思政改革的难点。以“材料化学综合实验”为例,探究将“两山”(绿水青山就是金山银山)理念作为课程思政元素有机融入到天然多孔吸附剂用于废水净化的综合实验中。实验以我国不同地方出产的一种天然多孔吸附剂(凹凸棒石)为原料,通过酸改性提高凹凸棒石的比表面积,并将其作为多孔吸附剂应用于染料废水净化。实验可作为化学和材料类专业本科生综合实验,在全流程融入课程思政元素有助于学生理解专业知识与可持续发展的关系。

金属有机框架衍生镍纳米颗粒在宽电位窗口内高效电催化二氧化碳还原

电催化二氧化碳(CO_(2))还原被认为是将CO_(2)转化为可再生能源产品的一种有前途的方法。开发性能优异的电催化剂高效完成这一重要反应是关键。镍基催化剂广泛应用于电催化CO_(2)还原研究,但是,镍纳米颗粒经常表现较差的催化性能。在本文中,通过在氮气气氛中高温热解镍基金属有机骨架(MOF)、尿素和炭黑混合物,获得了镍纳米颗粒负载于多孔碳氮中的催化材料(NiNPs-NC)。有趣的是,NiNPs-NC在H型和流动相电池中都表现出优异的CO_(2)电还原性能。在H型电解池和-0.67–-1.07 V vs.RHE(可逆氢电极)电位窗口内,NiNPs-NC催化CO_(2)还原为CO的法拉第效率大于90%,其中,在-0.87 V vs.RHE时,CO的法拉第效率约为100%。在流动相电解池和-0.50–-0.70 V vs.RHE电位窗口内,NiNPs-NC催化CO_(2)还原为CO的选择性大于95%。电化学阻抗谱图和塔菲尔斜率表征显示,NiNPs-NC的高催化活性归因于其在催化过程中的快速电荷转移。本文提供了一种制备高效CO_(2)电还原催化剂的方法。

基于透射电镜的材料表征类大型仪器管理办法探究

随着国内高等院校和科研单位的稳健快速发展,为了揭示材料所具备的物理、电化学性能与其微观结构之间的关系,国内涌现出了大量的大型仪器设备。而加强大型仪器设备管理,提高共享服务能力,成为目前迫切需要思考和解决的问题。针对目前大型仪器管理中存在的问题,结合透射电镜在管理改革中的实践经验,从优化资源配置、加强维护保养、增强共享和管理能力、完善档案信息四个方面为类似的大型实验室、仪器共享平台、技术培训机构提供解决的思路和对策。

材料化学类科研实验室安全管理实践探索

高校科研实验室是开展探索科学研究和人才培养的前沿阵地,确保科研实验室安全,是科研平稳进行,稳定社会安全的重要环节。本文以天津理工大学为例,分析了高校材料化学类科研实验室安全现状、前期实施的探索性安全管理措施以及取得的相关成效。

纳米多孔金薄膜的电催化氧化水合肼性能研究

通过脱合金方法对金银合金薄膜进行选择性腐蚀得到了具有三维双连通结构的纳米多孔金(NPG)。将NPG作为三电极测试体系中的工作电极,利用循环伏安法表征了其在碱性条件下对10 mmol/L的水合肼溶液的电催化性能。结果表明,纳米多孔金对水合肼的电催化氧化不仅峰电流强度比纯金电极高一个数量级以上,而且起峰电位很低,表现出很高的电催化氧化性能,这种优越的电催化性能和它的高比表面积以及多孔结构紧密相关。

钴(Ⅱ)基分子配合物用于光催化二氧化碳还原

利用太阳能将CO_(2)还原成燃料或高附加值的化工原料,是解决能源危机和气候变暖的理想途径,其中的关键问题是开发高效的催化剂。近年来,非贵金属Co(Ⅱ)配合物作为分子催化剂在光催化CO_(2)还原方面展现出良好的催化性能。本文按配体的不同种类,系统介绍Co(Ⅱ)配合物分子催化剂在光催化CO_(2)还原方面的最新研究进展。并在此基础上,重点分析配合物分子结构对催化效率、选择性和稳定性的影响,总结构效关系。最后,针对在光催化CO_(2)还原中存在的问题,提出了Co(Ⅱ)配合物分子催化剂的设计思路,并对Co(II)配合物分子催化剂用于光催化CO_(2)还原的前景进行了展望。

一种新的反应路径实现高体积能量密度的锂硒电池

作为硫(S)的同族元素,硒(Se)在化学和电化学性质上与硫类似。应用于二次锂金属电池时,Se作为正极活性物质,通过Se+2Li↔Li2Se的电化学转化进行可逆地锂化和脱锂,具有较高的理论比容量(675 mAh·g^(−1))。虽然其理论比容量低于S(1672 mAh·g^(−1)),但是Se的密度较大,从而其理论体积比容量(3253 mAh·cm^(−3))与S(3467 mAh·cm^(−3))相当1。另外,Se具有远高于S的电导率(Se:≈10−5 S cm^(−1);S:≈10−30 S·cm^(−1)),以及与商用碳酸酯电解液更好的兼容性2–4,这些特性使得锂硒(Li-Se)电池体系有望兼具高功率和体积能量密度。

富氧空位的非晶氧化铜高选择性电催化还原CO_(2)制乙烯

过量化石能源的消耗导致大气中的二氧化碳含量不断上升,由此引发包括温室效应在内的环境问题。对此,常温常压下的电催化二氧化碳还原手段为制备高附加值的化工原料和实现碳循环提供了一种很有前景的技术储备。在众多的二氧化碳还原产物中,碳氢化合物尤其是乙烯,它作为塑料和其他化工产品的重要原料受到广泛的关注。电催化二氧化碳还原制乙烯工艺不仅可适配于现有的生产设备也可作为取代目前工业化的裂解方法。近年来,研究者们为了开发高效的电催化二氧化碳还原制乙烯催化剂开展了大量的研究。不过值得注意的是,大部分研究集中于铜基材料。尽管目前研究者取得了很多成果,但仍缺少可高选择性产乙烯的二氧化碳还原催化剂。如何设计出可活化二氧化碳分子,同时对*CO和*COH中间物有强吸附能力的催化剂是研究难点。针对此问题,本文中通过真空蒸镀的方法制备出一种富氧空位的非晶氧化铜纳米薄膜催化剂。受益于纳米薄膜的构建和氧空位的引入,该催化剂可快速进行电荷和物质的交换,并利于二氧化碳分子的吸附及优化还原中间产物的亲和力,进而表现出优异的电催化二氧化碳制乙烯的性能。结果表明,在加有0.1 mol·L^(−1)碳酸氢钾溶液的H型电解池中测试中,该催化剂在相对于可逆氢电极电势为−1.3 V的产乙烯法拉第效率可达85%±3%。此外,该催化剂在长达48 h的电催化还原过程中仍可保持高的乙烯选择性。这些指标与已报道的最好的铜基催化剂的性能相当。另外,结构和化学手段表明该催化剂在电解反应中可保持良好的稳定性。进一步,我们测试了该催化剂在膜电极体系的性能,结果表明该催化剂的最大乙烯局部电流密度可达115.4 mA·cm^(−2)(操作电压为−1.95 V),最高法拉第效率可达78%±2%(操作电压为−1.75 V)。理论和实验结果证明该催化剂的高乙烯选择性源于引入的氧空位不仅有利于二氧化碳分子的吸附,而且可增强对*CO和*COH的亲和力。本论文的研究不仅可激发学术界对高乙烯选择性的非晶铜基材料开发,同时在一定程度上提供有关电催化二氧化碳制乙烯的反应机制认识。

去除水相的辊压力度对界面聚合制备聚酰胺复合纳滤膜的影响

界面聚合过程中去除水相时的辊压力度大小对生成聚酰胺(PA)层的结构与性能有着重要影响,然而辊压力度的选择通常仅根据经验而未定量化.本研究在界面聚合制备薄层复合聚酰胺纳滤(TFC NF)膜时选用0、10、20、30、50 N共5种去除水相的辊压力度,探究辊压力度对PA层结构和TFC NF膜渗透选择性及机械性能的影响规律.结果表明,当辊压力度从10 N增加至50 N时,哌嗪渗入基底孔内的深度增加,界面聚合倾向于在孔内更深的位置发生,进而导致基底孔内PA厚度增加,水传质阻力升高,TFC NF膜水渗透系数降低.当辊压力度为10 N时,所制得的TFC NF膜的综合性能最为优异,膜的水渗透系数达120.3 L/(m^(2)·h·MPa),高于辊压力度为0 N时的100.8 L/(m^(2)·h·MPa)与20 N时的115.8 L/(m^(2)·h·MPa);一/二价离子的分离因子为14.9,高于辊压力度为0 N时的13.8与20 N时的14.2;同时保持较好的机械性能.本工作通过调节界面聚合去除水相的辊压力度,实现了对TFC NF膜渗透选择性的调控,为制备高性能TFC NF膜提供借鉴.

Cu2O@HKUST-1前驱物法合成CuO中空管状超级结构及其CO催化氧化性能

以Cu_2O@HKUST-1(HKUST-1=Cu_3(BTC)2,BTC^(3-)=均苯三甲酸离子)线状核@壳结构为前驱体,通过在碱性条件下原位水解HKUST-1壳、氧化刻蚀Cu_2O核的方法得到了一种新型的、由相互交错的CuO纳米片构筑的、中空管状的超级结构,并研究了其对CO氧化的催化活性。结果表明,这种中空的CuO管状超级结构具有较大的比表面积(56.3 m^2/g)和可观的催化活性,催化剂对CO的完全转化温度为200℃,190℃时转化效率为17.3 mmolCO/(gCuO·h)。

纳米多孔金属电催化剂在氧还原反应中的应用

燃料电池是将化学能直接转化为电能的能量转换装置,具有绿色、高效、便携等特点。对于大多数使用氧气或者空气为氧化剂的燃料电池而言,其阴极氧还原反应动力学缓慢、稳定性差是阻碍该技术走向商业化的主要因素,因此开发高催化活性和良好稳定性的低成本氧还原催化剂非常重要。基于脱合金法制得的纳米多孔金属是一类新型的宏观尺度纳米结构材料,其独特的开放型孔道结构、优良的导电性和结构的可调控性使其在电催化相关领域具有广泛的应用。本文侧重于讨论纳米多孔金属作为氧还原催化剂时所展示的一系列结构特性,及其在发展新一代高性能一体化燃料电池催化剂中所展示的机会。

花状结构Mn/CuO-CeO2的合成及对CO氧化反应的催化性能

通过构建CeO2与过渡金属氧化物的复合材料提高了CeO2的高温热稳定性并改善其催化活性.利用溶剂热法合成了不同组成的三维花状结构Mn/CuO-CeO2多元复合纳米材料.XRD分析结果表明,复合材料是以萤石相CeO2结构为主体的固溶体;SEM照片显示花状结构微球由无数纳米片组装而成,而每个纳米片的结构单元为尺寸约10nm的纳米颗粒.复合材料中CuO和MnOx的高分散性使各组分之间产生强的相互作用,所以催化剂的催化活性按照CeO2<CuO-CeO2<x Mn/CuO-CeO2的顺序依次升高.随着Mn掺杂量的增加,复合材料的催化活性先升高后降低,在nCe∶nCu∶nMn=25∶5∶2时催化剂表现出最佳催化性能:在CO氧化反应中,173℃时即能实现CO的完全转化,并且具有很好的催化稳定性.

不同尺寸ZIF-8对U(Ⅵ)的吸附性能

以经典的金属有机骨架(MOFs)材料ZIF-8为吸附剂,研究尺寸效应对铀吸附性能的影响。通过3种方法合成不同粒径的ZIF-8,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线粉末衍射仪(XRD)、表面积与孔隙度分析仪等对其进行了表征,测试了相同条件下不同尺寸的ZIF-8对硝酸铀酰溶液中U(Ⅵ)吸附,分别对其吸附过程的动力学和吸附等温线进行了考察,并测试了材料的可重复利用性。结果表明,成功制备了高结晶性、高纯度的ZIF-8,产物形貌呈菱形十二面体,颗粒均匀,粒径分别为约50 nm、150 nm及2μm;3种ZIF-8具有单一均匀的微孔结构和与粒径高度相关的比表面积;不同尺寸的ZIF-8均能快速吸附溶液中的U(Ⅵ),在室温pH=3下,在70 min左右时即可吸附初始质量浓度为200 mg/L的U(Ⅵ)溶液中90%以上U(Ⅵ);其中较小尺寸(约50 nm)的ZIF-8吸附性能最好,单位质量ZIF-8吸附U(Ⅵ)的饱和吸附量达到520.26 mg/g;ZIF-8对U的吸附动力学上符合二级动力学方程,吸附等温线符合Langmuir模型,说明ZIF-8对U(Ⅵ)的捕获属于化学单层吸附;经过4个吸附-解吸循环后,3种尺寸的ZIF-8均依然保持了70%以上的去除率。

Ag纳米粒子修饰有机/无机Z型3DOMM-TiO_(2‒x)异质结的构建及高效光催化和光电催化分解水制氢

资源短缺和环境污染成为制约当今社会发展的两大难题,清洁能源代替化石能源的大潮已全面开启,而氢能作为新一代清洁能源在全球范围内备受关注与重视.太阳能和水都是丰富的可再生资源,利用太阳能将水转化为氢能的光催化和光电催化分解水产氢技术具有广阔的前景.二氧化钛(TiO_(2))作为一种n型半导体,具有耐光腐蚀性、稳定性、低成本和无毒性等优点,已被广泛应用于光催化降解污染物、产氢和CO_(2)转化等领域.但TiO_(2)也存在光谱响应范围较窄、光生载流子复合率高、氧化动力学缓慢等缺点,严重限制了其在光催化和光电催化分解水方面的应用.为了改善TiO_(2)的上述缺点,本文通过形貌控制、结构设计、缺陷工程、异质结构建和贵金属掺杂等多种策略合成了Ag/PANI/3DOMM-TiO_(2–x)三元催化剂,显著提升了光催化和光电催化分解水产氢的性能.Ag/PANI/3DOMM-TiO_(2–x)催化剂具有以下特点:(1)催化剂为三维有序大孔结构且具有较大的比表面积和均匀的孔径,有利于传质扩散并为催化剂提供了更多的吸附和反应位点;(2)在3DOMM-TiO_(2)中引入Ti^(3+)和氧空位等缺陷可以显著减少带隙宽度,提高光吸收效率;(3)聚苯胺(PANI)作为一种典型的导电聚合物在可见光范围内表现出较高的吸收能力和良好的导电性;(4)成功构建了Z型异质结光催化剂,由于氧化和还原位点分别在3DOMM-TiO_(2–x)和PANI两种催化剂表面,从而可以显著提高光生载流子的有效分离和运输,并且催化剂具有更强的氧化还原能力;(5)通过贵金属银纳米颗粒的表面等离子体共振(SPR)效应增强对可见光的吸收,并且银纳米颗粒的SPR效应会产生更多的热电子并转移到PANI的导带,进而直接参与还原反应制氢.结合X射线衍射光谱和X射线光电子能谱表征结果,说明成功合成了Ag/PANI/3DOMM-TiO_(2–x)催化剂;扫描电子显微镜,透射电子显微镜,高分辨率透射电镜以及电子自旋共振等表征结果表明,Ag/PANI/3DOMM-TiO_(2–x)催化剂具有三维有序大孔和中孔结构并成功引入了氧空位和银纳米颗粒,UV-Vis DRS表征说明,通过对催化剂光学性能的不断改进,催化剂对可见光的吸收逐渐增强,催化剂的禁带宽度不断减小.基于上述各方面的协同效应,Ag/PANI/3DOMM-TiO_(2–x)催化剂在光催化和光电催化水分解制氢中均表现出较强的活性,光催化制氢速率为420.90μmol g^(–1)h^(–1),分别为商用P25和3DOMM-TiO_(2)的19.80倍和2.06倍.在光电化学试验中,通过AM 1.5 G模拟太阳光照射,在0.5 mol/L NaSO_(4)的缓冲溶液中,Ag/PANI/3DOMM-TiO_(2–x)复合光电阳极在1.23 V vs.RHE下的光电流密度为1.55 mA cm^(–2),约为3DOMM-TiO_(2)的5倍.综上,本文合成的有机/无机Z型光催化剂Ag/PANI/3DOMM-TiO_(2–x)在光催化和光电催化水分解制氢方面具有良好的应用潜力.

含不同杂原子共轭单元的有机光敏染料的超快发光动力学（英文）

系统研究了含有不同杂原子的共轭单元(联呋喃、联噻吩及联硒酚)的三种有机染料C210、C214和C216的超快发光动力学,双己氧基取代的三苯胺作为电子给体,氰基丙烯酸作为电子受体。详细考察了三种染料分别在不同媒介中的激发态动力学:四氢呋喃及甲苯溶液、聚甲基丙烯酸甲酯及聚苯乙烯聚合物薄膜、氧化铝及二氧化钛薄膜表面。发现在以上介质中都普遍存在动态斯托克斯位移现象,表明发生了非平衡激发态的分子内多步弛豫过程。由于扭转弛豫和电子注入过程之间的竞争作用,非平衡激发态的电子注入产率比平衡激发态的低得多。此外,由于激发态能量弛豫导致的能量损失,电子注入时间常数变化超过了一个数量级,这在未来的染料设计及器件发展中应进行控制。三种染料在平衡激发态处的电子注入效率相近,由于C210和C216加快的电子注入速率补足了它们较C214小的平衡激发态寿命。

石墨炔结构表征及在光电催化反应中的应用

石墨炔是一种新型碳材料,自2010年实验室成功制备后受到广泛关注。石墨炔是一种由sp和sp^2杂化碳组成的高度共轭结构。随着石墨炔合成化学的发展,多种不同构型的石墨炔被制备和表征。石墨炔特殊的电子和孔结构,使其在催化领域中具有广泛的应用。本文总结了近年来石墨炔材料在表征方法和光电催化反应方面的研究进展,并探讨了石墨炔未来发展的机遇和挑战。

苯基硅氧烷改性TiO_(2)在聚苯硫醚抗紫外中的性能研究

首先以苯基三乙氧基硅烷(PTES)为改性剂,采用凝胶-溶胶法对金红石型TiO_(2)进行表面化学修饰,制备了抗紫外TiO_(2)/PTES纳米粒子.然后通过对TiO_(2)/PTES纳米粒子的系统表征,发现PTES的载入显著地抑制了TiO_(2)的光催化性能.最后将抗紫外性能优异的TiO_(2)/PTES-2纳米粒子以不同比例加入PPS中,制备了PPS复合薄膜,探讨了纳米粒子的添加对PPS抗紫外老化性能的影响.结果表明,当TiO_(2)/PTES-2纳米粒子的添加量为2.0 wt%时,PPS抗紫外性能达到最佳,即TiO_(2)/PTES-2/PPS复合薄膜紫外辐射192 h后的断裂强度保留率和断裂伸长保留率分别为93.75%和94.00%.

过渡金属为中心的多酸基晶态框架材料的制备与性能

多酸由于具有良好的电子储存和氧化还原能力,使其具有优异的催化与光/电致变色性能,在清洁、绿色环保的高效催化剂开发领域具有重要的潜在前景.然而,由于多酸阴离子本身带有负电荷,在催化过程中易于团聚失活,且具有较低的比表面积.因此,将多酸引入到结构明确、具有可设计修饰孔道与较高孔隙率的晶态多孔材料中显得尤为迫切.过渡金属为中心的多酸由于过渡金属引入,不仅能够调控其电荷数目,而且可以优化其能带结构,被认为是设计合成结构明确多孔框架材料的理想构筑单元.此类晶态材料有望应用于单分子磁体,光/电催化水分解,脱硫等领域.本文系统总结了以过渡金属为中心的多酸基晶态框架材料的研究进展,并提出了该领域所面临的挑战和机遇.