基于化学核心素养的科教融合型全水解综合实验

以提升化学核心素养为目标,设计了二维镍铁类水滑石电催化剂用于全解水反应的综合实验。通过共沉淀法制备了镍铁水滑石,表征了XRD、FT-IR、SEM、BET、XPS,并进一步探究其全水解性能。该实验案例旨在让学生了解电催化剂的制备过程,理解全解水产氢、产氧的反应机理,掌握三电极与两电极体系中电化学性能的测试方法。该综合实验将化学核心素养贯穿于实验预习、电催化剂制备、物化性能表征、电化学性能测试、结果与讨论的整个实验设计与实践过程中。该综合实验有助于提高学生对能源与环境的保护意识,增强绿色化学理念,适用于中学与大学化学实验教学。

制备方法对Ru/CeO_(2)催化氨分解性能的影响

采用共沉淀法、沉积沉淀法和浸渍法制备了Ru/CeO_(2)催化剂,利用XRD、N_(2)吸附-脱附、SEM、CO_(2)-TPD、H_(2)-TPD、H_(2)-TPR、XPS、N_(2)-TPD等方法对催化剂进行表征,并考察了催化剂的氨分解性能。实验结果表明,共沉淀法制备的Ru/CeO_(2)-CP催化剂在450℃、气时空速15000 h-1条件下,氨转化率可达80.7%,是沉积沉淀法和浸渍法制备Ru/CeO_(2)催化剂的1.3,2.7倍。共沉淀法制备的催化剂表面疏松,具有最大的比表面积,为催化剂提供了更为丰富的碱性位点。CeO_(2)载体与Ru金属间的强相互作用有利于电子从CeO_(2)向Ru的转移,提高了Ru粒子表面的电子密度,促进了N物种在催化剂表面的结合脱附。

关于“氮一化学”的思考与展望

关于含有氮元素的单质或含有一个氮原子的化合物等相关的研究备受关注,特别是在合成氨、制氢、脱硝等方面,对于促进新能源开发,控制环境污染以及实现碳中和等具有广泛的应用前景和重要的科学意义。本文提出了“氮一化学”的理念,回顾了与“氮一化学”相关的几个典型案例,讨论了目前国内外关于合成氨、制氢、脱硝等方面的重要进展,并展望了“氮一化学”的发展前景。

响应面法优化棉籽油超声强化合成生物柴油工艺的研究

以棉籽油为原料,KOH为催化剂,通过超声波强化制备生物柴油(FAME)。采用四因素二次正交旋转组合设计实验。结果表明:采用超声波强化与机械搅拌反应体系相比,反应时间从40min缩短至20min,节能效果明显;得出了超声强化合成FAME的最佳工艺条件为:醇油比6.5:1,超声时间20min,占空比28%,催化剂用量0.9%,FAME的得率为97.35%,所得生物柴油各项指标基本达到欧洲EN14214和0#生物柴油标准。

烟草基活性炭材料用于电化学超级电容器（英文）

烟草基活性炭(TAC)成功制备并用于超级电容器电极材料。由烟草出发,通过一步水热法,进而热解得到烟草基多孔碳(TPC),比表面积为111.25 m^2·g^(-1),孔容为0.11 cm^3·g^(-1),平均孔直径1.77 nm,在0.5 A·g^(-1)电流下,比电容为37 F·g^(-1)。通过碱活化得到TAC,具有较高的比表面积1297.6 m^2·g^(-1),大的孔容0.52 cm^3·g^(-1),和平均孔直径0.52 nm。在0.5 A·g^(-1)电流下,比电容可达148 F·g^(-1)。两电极体系下具有120 F·g^(-1)的比电容值,在1 A·g^(-1)下经过9 000次循环后,容量没有损失。

简便的碳浴法制备N,S共掺杂类石墨烯炭提高氧还原反应性能

合理设计和优化氧还原反应(ORR)非金属电催化剂对于燃料电池和金属空气电池非常重要。然而,这现在仍然是一个巨大的挑战。本工作通过简单的碳浴法成功制备了N,S共掺杂的类石墨烯炭材料(GLC),并将其用于电催化氧还原反应。经高温热解和模板分解后,得到的GLC-11具有较高的比表面积(583.68 cm^2/g)和孔体积(0.63 cm^3/g)。其中,微孔表面积占总表面积的29.39%,微孔体积占总孔体积的12.70%。同时,通过XPS结果计算得到,GLC-11的吡啶氮和石墨氮含量总和高达92.2%。因此,GLC-11在碱性电解液中显示出了高电催化ORR性能,其中波电位(E1/2)为0.82 VRHE,优于Pt/C(E 1/2=0.80 VRHE)。此外,GLC-11催化剂与商业Pt/C(20 wt%)催化剂相比表现出更好的稳定性和优异的甲醇耐受性。

甘草黄酮合酶Ⅱ催化甘草素特异性合成7,4'-二羟基黄酮

利用同源序列比对和分子进化树分析从胀果甘草转录组数据库中挖掘并成功克隆到2个黄酮合酶基因:Gur.gene26505和Gur.gene26116。经表征Gur.gene26505为黄酮合酶Ⅱ,具有催化甘草素特异性合成7,4′-二羟基黄酮的特性,而Gur.gene26116为黄烷酮2位羟化酶,可催化甘草素生成包括7,4′-二羟基黄酮在内的三种产物。进一步通过蛋白质结构预测、分子对接和分子动力学模拟探究了黄酮合酶Ⅱ(Gur.gene26505)催化合成7,4′-二羟基黄酮特异性的原因。由于Gur.gene26505活性口袋附近特有的刚性结构β片层使大位阻苯丙氨酸残基翻转至羟化中心下方,消除了羟化产物2-羟基甘草素进入脱水中心的阻力进而发生C_(2)-C_(3)位的脱水反应特异性生成7,4′-二羟基黄酮。最后通过基因过表达、反应条件优化和强化菌体生长建立了7,4′-二羟基黄酮特异性合成的最佳细胞催化工艺,使甘草素转化率达到了76.67%。

氮掺杂碳原位锚定铜纳米颗粒用于高效氧还原反应催化剂

与贵金属铂基电化学氧还原反应(ORR)催化剂相比,廉价的非贵金属催化剂引起了广泛的关注。本文以壳聚糖作为一种富含氮和碳元素的生物质资源,利用碳浴法成功制备了氮掺杂碳原位负载铜纳米颗粒(Cu/N-C)催化剂。纯壳聚糖碳化得到的样品N-C的比表面积为67.5 m^(2)·g^(-1)、平均孔径0.14 nm、平均孔体积8.00 m^(2)·g^(-1),与之相比,Cu/N-C比表面积可达607.3 m^(2)·g^(-1)、平均孔径为2.5 nm、平均孔体积为0.40 cm^(3)·g^(-1)。通过密度泛函理论(DFT)进行计算表明,Cu(111)/N-C的自由能值低于N-C,更有利于氧还原催化进行。在0.1 mol·L^(-1) KOH的介质中,Cu/N-C不仅表现出优异的起始和半波电势(分别为0.96 V和0.84 V),而且还表现出了优异的抗甲醇性能和稳定性,并且Cu元素掺杂量达到1.67wt.%。

KF/MgO催化甘油和碳酸二甲酯酯交换合成甘油碳酸酯

采用浸渍法制备KF/MgCO_(3)前体,经高温焙烧后获得了一系列KF/MgO固体碱催化剂,用于催化碳酸二甲酯(DMC)和甘油(GL)酯交换反应合成甘油碳酸酯(GC)。系统考察了KF负载量和焙烧温度对催化剂活性的影响,并通过X射线衍射、N_(2)吸脱附等温线、扫描电子显微镜和哈米特酸碱滴定等一系列技术对催化剂的结构性能进行了表征。结果表明,当KF负载量为20%(质量分数)时,经550℃焙烧所获得的20%KF/MgO-550催化剂活性最高。经过反应工艺条件的优化,当催化剂与甘油的相对质量分数为2%,DMC与GL的摩尔比为3∶1,75℃条件下反应1.5h后,GC收率可以达到96.8%。当20%KF/MgO-550催化剂重复使用3次之后,GC的收率由96.8%降低到67.3%,经再生处理后20%KF/MgO-550的催化活性可以恢复并且表现出更优异的稳定性。

基于STEM教学理念的SiO_(2)纳米球制备

多孔材料是吸附去除废水中的有机染料的一种有效途径。采用正硅酸四乙酯(TEOS)为硅源和十六烷基三甲基氨基溴化物(CTAB)为造孔剂,通过微通道反应器连续制备具有高比表面积的多孔SiO_(2)纳米球,研究了其对亚甲基蓝的吸附性能,并使STEM(科学、技术、工程和数学)教育理念贯穿于该实验的整个过程。旨在让学生掌握微通道反应器制备多孔SiO_(2)纳米球的方法,理解多孔SiO_(2)纳米球吸附染料的机理及除染料性能的测试方法。不仅有利于STEM教育理念的实践,而且有助于提高学生的环保意识。

CNN型双核Cu(Ⅰ)配合物室温催化固定CO_(2)的直接羧基化反应

将一类CNN型双核Cu(Ⅰ)配合物成功地应用于端炔和CO_(2)的直接羧基化反应,该反应在室温、常压CO_(2)和较低催化剂用量条件下即可顺利进行.该催化体系在端炔的直接羧基化反应中显示出较广的底物普适性,以83%~97%的收率得到了一系列丙炔酸类产物.该方法还可用于杂芳烃的连续羧基化反应及酯化反应.控制实验和文献研究表明,Cs_(2)CO_(3)促进了端炔氢的脱除,同时Cu(Ⅰ)配合物通过Cu(Ⅰ)中心与炔基配位作用对端炔活化起到了重要作用.

咔唑桥连NCN齿形钯配合物催化的唑类C-H键直接芳基化反应

基于咔唑的强给电子能力合成了一种对空气稳定的齿形钯配合物催化剂(C1~C6).这种钯催化剂可高效催化唑类和溴代芳烃的直接芳基化反应,在空气条件下,碳酸钾为碱,无需其他添加剂,即取得了较好的催化活性与底物普适性.在相对温和的条件和催化剂用量为0.5mol%时,即可实现噻唑与溴代芳烃直接芳基化反应顺利进行.值得一提的是,这是目前以KOAc为碱的反应体系中,反应活性最高的催化体系.

碱性调控的选择性:通过N-烷基-N-(2-(吡啶-2-基氨基)苯基)甲酰胺合成苯并咪唑酮和苯二氮䓬类化合物

发展了一种碱控制选择性合成苯并咪唑酮和吡啶并苯二氮䓬衍生物的方法.该方法以N-烷基-N-(2-(吡啶-2-基氨基)苯基)甲酰胺类化合物为原料,以K_(2)S_(2)O_(8)为氧化剂,当选用NaOAc为碱时,高选择性地得到了一系列苯并咪唑酮衍生物;当选用NaHCO_(3)为碱时,得到了一系列吡啶并苯二氮䓬衍生物.通过自由基捕捉实验的研究,提出了相应可能的反应机理.苯二氮䓬的克级放大实验和官能化衍生化实验说明该方法具有一定应用前景.