单纳米粒子表面的甲醇电催化氧化过程

由于全球资源短缺和环境污染等问题日益加剧,开发利用洁净高效的新能源已成为当今社会研究热点.其中,直接甲醇燃料电池(DMFC)具有低温启动、无需重整制氢、洁净环保和体积小巧等特性,展现出较好的应用前景.DMFC的阳极反应为甲醇氧化反应,甲醇的完全氧化涉及到复杂的六步电子转移反应过程.揭示甲醇氧化的反应路径与机理,阐明催化剂的真实活性中心以及毒化效应,对于高效催化剂的设计和制备至关重要.随着纳米技术的发展,在单颗粒水平对纳米催化剂进行表征受到了越来越多的关注.因此,亟需发展具有高灵敏度的原位界面表征方法,实现纳米尺度的精准测量,排除催化剂平均效应,获取纳米表界面真实的催化反应信息.本文结合纳米等离子共振散射光谱与电化学技术,获得了单个纳米催化剂的同步光电响应信号,实现单颗粒水平纳米粒子表面化学、电化学反应过程(如电荷转移、分子吸附等)的高灵敏监测,揭示纳米尺度表界面催化反应机制.利用这一技术,动态监测了单个金/铂包金纳米颗粒表面的甲醇氧化过程.结果表明,在金纳米颗粒表面,甲醇氧化主要通过HCOOH路径,生成产物为HCOOH或CO_(2).其中,反应中间体与羟基离子的竞争性吸附起到重要作用,反应决速步为Au-OH和Au-CHO的共吸附.而铂催化甲醇氧化主要经过CO路径,决速步为Pt-OH和Pt-CO氧化生成Pt-COOH过程.此外,观测到金和铂氢氧化物为催化反应的活性物种,进一步证实了金属氧化物对于催化活性的钝化作用.结合密度泛函理论模拟,明确了甲醇氧化反应中间体吸附与金属氢氧化物演变之间的内在联系.综上,本文利用纳米等离子共振散射光谱,原位监测了单个纳米粒子表面的甲醇电催化氧化过程,实现了催化剂真实活性物种演变与失活过程的直接观测,揭示了不同催化剂表面的决速步骤,为提高催化反应效率提供了更加准确的反应信息.本文将有益于纳米等离子共振散射光谱在电催化反应高灵敏监测方面的广泛应用,并为高效甲醇催化剂的制备提供参考.

圭表测距——从初中物理第一课说起

逻辑推理和实验探究是学好物理的关键方法,本文以《周髀算经》中的“圭表测距”为例,分析古人用圭表测量太阳高度的原理.虽然在测量日地距离方面该方法存在一定的模型错误,但有极大的独创性.在改变“天圆地方”基本假设下,视地球为圆形的球体,则圭表测距的方法可以用来测量地球周长.通过简单切实的例子,引导学生感悟中华传统科技的魅力,同时培养学生正确的科学观和逻辑思维能力,促进学生综合素养的全面提升.

利用跨海建筑测量地球半径

在数理思维训练中,测量地球半径独具魅力,从古至今,人们提出了许多别有趣味的测量方法。基于粤港澳大湾区得天独厚的地理优势,提出利用跨海建筑的高度来测量地球半径。在大湾区30公里的跨海范围内,目视观察标志性建筑,通过简单的代数和几何计算,可以得到地球半径,其精度达2%以下。通过跨海建筑的应用实例,不仅锻炼了师生的数理能力,还可以增进学生对粤港澳大湾区建设的自豪感。