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2022年 第43卷 第3期    刊出日期：2022-03-10

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高等学校化学学报2022年第43卷第3期封面和目次

2022, 43(3):  1. 

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相关文章 | 多维度评价

综合评述

碳纳米管透明导电薄膜的可控制备

闫文卿, 张则尧, 李彦

2022, 43(3):  20210626.  doi:10.7503/cjcu20210626

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碳纳米管具有优秀的导电性能、 透光性能和十分突出的柔性, 在柔性透明导电薄膜中有着良好的应用前景. 如何制备同时拥有良好导电性能和透光性能的碳纳米管薄膜是这一领域研究的核心问题. 本综述介绍了碳纳米管薄膜的制备方法, 并重点讨论了基于漂浮催化剂化学气相沉积法的碳纳米管薄膜的可控制备. 在生长过程中限制碳纳米管的团聚、 增加碳纳米管的长度、 降低杂质的含量是提高碳纳米管薄膜性能的主要策略.



MOF衍生碳基电催化剂限域催化O₂还原和CO₂还原反应

张小玉, 薛冬萍, 杜宇, 蒋粟, 魏一帆, 闫文付, 夏会聪, 张佳楠

2022, 43(3):  20210689.  doi:10.7503/cjcu20210689

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化石燃料的大量消耗和环境的逐渐恶化导致迫切需要开发和探索有效的能源转换和存储技术. 电化学是各种能源转换装置的基础和关键. 设计和合成具有高催化活性的非贵金属基和非金属基催化剂是最好的选择. 金属有机骨架(MOF)衍生的碳基材料具有比表面积大、 孔隙率高的特点, 可以选择性地限制不同类型的金属. 因此, MOF衍生碳作为催化剂载体使用时具有良好的限域效应, 有利于提高催化剂的活性和稳定性. 本文综合评述了MOF衍生材料在催化反应中的限域效应, 并介绍了MOF衍生碳基材料在氧还原反应(ORR)和二氧化碳还原反应(CO₂RR)电催化方面的最新进展, 揭示了MOF碳基材料在电催化反应中的构效关系. 最后, 讨论了MOF衍生的碳基材料在ORR和CO₂RR电催化中的挑战和机遇, 以及未来可能的解决方案.



研究论文: 无机化学

UiO-66-NH₂/wood的设计构筑及高效去除水中微量重金属离子性能

李华, 杨科, 黄俊峰, 陈凤娟

2022, 43(3):  20210701.  doi:10.7503/cjcu20210701

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矿山开采、 金属冶炼、 新型金属材料的发展以及城市供水系统老化所造成的重金属(铅、 镉、 汞、 砷、 铬、 铜及锌等)污染问题已日趋严重. 传统的水处理方法很难有效地去除低浓度的重金属污染物. 本文以天然木材为载体, 采用溶剂热合成法, 在木材三维孔道中原位合成UiO-66-NH₂金属有机框架材料(MOFs)纳米颗粒, 制备了UiO-66-NH₂/wood复合膜材料. 该复合膜材料对去除水中微量重金属离子(Hg²⁺, Cu²⁺)表现出优异的性能. 当处理速率为1.1×10² L?m^-2?h^-1时, 该复合膜材料去除水中微量重金属离子的效率仍可达到90%以上, 且处理后水中重金属离子含量低于国家饮用水标准. 这可归因于木材本身独特的三维孔道结构, 在提高水通量的同时, 还可以增加水溶液中重金属离子与MOFs颗粒的接触机会, 以及孔道内均匀分布的UiO-66-NH₂ MOFs颗粒中的—NH₂可以与重金属离子通过配位作用相结合. 该UiO-66-NH₂/wood复合膜材料还具有良好的重复利用性, 在连续6次循环使用后其去除效率无明显变化, 有望进行实际应用.



纳米分子筛的合成及硫化氢吸附性能

孟祥龙, 杨歌, 郭海玲, 刘晨光, 柴永明, 王纯正, 郭永梅

2022, 43(3):  20210687.  doi:10.7503/cjcu20210687

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利用无模板水热法合成纳米尺寸的小孔SOD型和大孔X型分子筛, 并考察了其硫化氢脱除性能. 通过对比两种分子筛的硫化氢吸附性能, 证实分子筛对硫化氢的吸附主要集中于孔道内和可及的活性位. 考察了晶粒尺寸、 体积空速和吸附温度等因素对硫化氢吸附的影响, 发现纳米尺寸X型分子筛具有更大的硫容, 并且在低温和低空速下分子筛中的硫化氢分子易于脱除. 随后对纳米X型分子筛进行了金属离子交换改性, 发现Cu改性的分子筛硫容优于其它离子改性的吸附剂, 能达到20.6 mg/g. NaX-N和Cu-NaX-N再生后的硫容分别为新鲜分子筛的62.4%和78.5%.



分析化学

双萘酰亚胺衍生物用于检测水溶液中的苦味酸

赵永梅, 穆叶舒, 洪琛, 罗稳, 田智勇

2022, 43(3):  20210765.  doi:10.7503/cjcu20210765

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设计合成了一个新的双1,8-萘酰亚胺衍生物(Bis-Nph), 并通过核磁共振波谱和高分辨质谱鉴定了其结构. Bis-Nph呈现出典型的分子内电荷转移(ICT)和聚集诱导增强发射(AIEE). 该化合物可以作为荧光探针检测水溶液中的苦味酸(2,4,6-三硝基苯酚, TNP), 检出限为5.8×10^-7 mol/L. 作用机制为TNP的质子转移到Bis-Nph, 有效地阻断了其ICT发射, 使荧光发生显著猝灭. 另外, Bis-Nph的细胞毒性较低, 可做成试纸进行TNP的快速检测.



微波辅助萃取多物理场耦合模型的构建及验证

闭格宁, 肖小华, 李攻科

2022, 43(3):  20210739.  doi:10.7503/cjcu20210739

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以姜科类植物草豆蔻中山姜素为模拟对象, 基于微波辅助萃取(MAE)过程中微波场、 温度场及浓度场等物理场之间的耦合关系, 利用Comsol软件构建了MAE多物理场耦合模型. 模拟了不同萃取时间、 微波功率下萃取体系的电磁场分布、 温度分布以及山姜素扩散分布; 通过比较萃取液温度和山姜素浓度的模拟值与实验值, 结合误差分析对模型进行了验证, 以同类植物砂仁中的异槲皮苷为萃取目标验证了模型的适用性. 结果表明, 微波功率越大, 电磁场强度越强, 萃取液温度越高, 山姜素扩散越明显, 越有利于萃取; MAE萃取山姜素和异槲皮苷的萃取液温度模拟值与实验值之间的相对均方根误差(RRMSE)分别在1.9%~4.5%和1.9%~2.8%之间, 其浓度RRMSE分别在1.7%~3.2%及1.6%~4.1%之间, 均小于5.0%, 表明建立的模型准确、 可靠, 且适用性良好. 该模型综合考虑了MAE过程中的多个物理场及其耦合关系, 可为深入研究其萃取机理提供参考.



银/金纳米线阵列表面增强拉曼基底的制备及对孔雀石绿的高灵敏度检测

夏大成, 周瑞, 涂博, 蔡志伟, 高难, 姬晓旭, 常钢, 任小明, 何云斌

2022, 43(3):  20210731.  doi:10.7503/cjcu20210731

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利用种子介导的软模板生长方法制备了金纳米线(Au NWs)阵列, 通过调节生长温度控制Au NWs阵列的形貌, 最后在经硼氢化钠(NaBH₄)清洗过的Au NWs阵列上化学沉积银纳米颗粒(Ag NPs), 制得银/金纳米线(Ag/Au NWs)阵列作为表面增强拉曼散射(SERS)基底. 选用罗丹明6G(R6G)作为拉曼探针分子测定了Ag/Au NWs阵列的SERS性能. 结果表明, Ag/Au NWs阵列作为SERS基底具有高灵敏度、 优异的信号均匀性和良好的稳定性. 使用Ag/Au NWs阵列对孔雀石绿(MG)检测的检出限可低至1×10^-8 mol/L, 线性范围为 1×10^-8~1×10^-4 mol/L. NaBH₄可以在不影响SERS性能的情况下去除Ag/Au NWs阵列上吸附的分子, 使得 SERS基底可以重复使用. 使用Ag/Au NWs阵列对湖水中的MG进行检测, 得到了可靠的回收率, 证明Ag/Au NWs 阵列在检测环境水体中的孔雀石绿上具有应用潜力.



有机化学

机械球磨制备三苯胺基PAF-106s及C2烃吸附性质

陈潇禄, 袁珍闫, 仲迎春, 任浩

2022, 43(3):  20210771.  doi:10.7503/cjcu20210771

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以三苯胺为单体, 无水三氯化铁为催化剂, 二甲醇缩甲醛为外交联剂, 通过机械球磨不同比例的三苯胺、 三氯化铁和二甲醇缩甲醛, 合成了PAF-106s(PAF-106a~PAF-106c， PAF: porous aromatic framework). 红外光谱、 元素分析、 X射线光电子能谱和固体核磁共振波谱等表征结果证明发生了聚合反应. 氮气吸附结果表明, 三苯胺、 三氯化铁和二甲醇缩甲醛的比例影响PAF-106s的多孔性能. 三氯化铁和三苯胺摩尔比从3∶1增加到12∶1时, PAF-106c的BET比表面积从PAF-106a的135 m²/g增加到280 m²/g. 引入二甲醇缩甲醛后, PAF- 106d~PAF-106g的BET比表面积随三氯化铁和二甲醇缩甲醛摩尔比的增加而逐渐降低. 在273和298 K下, 测试了PAF-106c的C2烃吸附性能, 并采用理想吸附溶液理论计算了C₂H₂/C₂H₄和C₂H₆/C₂H₄分离比.



蚕丝蛋白辅助铜催化碳氮偶联反应

吴丰田, 李俊, 孙艺嘉, 曾蓉, 任涵, 刘秀萍, 张彩虹, 闫芳明, 吴玲, 崔春娜

2022, 43(3):  20210707.  doi:10.7503/cjcu20210707

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采用碘化亚铜/蚕丝蛋白催化体系催化芳基卤代物与咪唑之间发生偶联反应, 高收率得到了多种N-芳基化产物. 本文方法不仅可实现产物的克级规模制备, 还可用于2-苯基吲哚和三氮唑的合成. 此外, 提出了该催化体系下的反应机理.



基于芳叉丙二腈的高活性迈克尔系统的吸湿反应及荧光性质

李巧, 赵洋, 王恩举

2022, 43(3):  20210690.  doi:10.7503/cjcu20210690

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建立了一个基于芳叉丙二腈的高活性迈克尔系统2,2′-[(5-叔丁基-2-羟基-1,3-苯撑)二甲川]双丙二腈(1), 能迅速吸收空气中的水, 生成稳定的氧杂迈克尔加成产物2-[5-叔丁基-3?(2,2-二腈基?1-羟乙基)-2-羟基苄叉]丙二腈(2). 在二甲亚砜(DMSO)中, 各种碱性催化剂都能使化合物2脱水生成化合物1, 同时发射红色强荧光. 在PBS缓冲溶液(pH=10)中, 化合物2立即脱水生成化合物1, 随后又缓慢加水转变为化合物2. 加热吸附在硅胶上的化合物2的荧光由蓝色变为红色, 温度降低后荧光又恢复为蓝色. 因此, 吸附了化合物2的硅胶可能发展成为一种热敏荧光材料. 此外, 吸附了化合物1的硅胶还对某些有机蒸汽具有荧光响应.



物理化学

自由能计算揭示苏氨酸对抗冻蛋白与冰晶结合能力的影响

崔韶丽, 张维佳, 邵学广, 蔡文生

2022, 43(3):  20210838.  doi:10.7503/cjcu20210838

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采用分子动力学模拟和自由能计算研究了中等活性黑麦草抗冻蛋白(Lolium perenne antifreeze protein, LpAFP)冰结合位点(Ice-binding site, IBS)上苏氨酸(Thr)含量对其吸附冰晶能力的影响. 构建了一系列LpAFP突变体结构, 使其IBS上苏氨酸含量逐步增加, 其中包括一个对IBS上11个位点的突变, 使每个β片段均具有Thr-x-Thr基序(x是非保守的氨基酸, 主要是疏水氨基酸). 利用重要性采样算法(WTM-eABF)计算了LpAFP及其突变体与冰晶结合过程的自由能变化, 该算法结合了Well-tempering metadynamics的“填谷”和扩展拉格朗日自适应偏置力方法的“削峰”的优点, 显著提高了算法的采样效率. 结果表明, LpAFP突变体的IBS苏氨酸含量越高, 其与冰的结合在能量上越有利. 当突变体具有重复Thr-x-Thr基序时, 其与冰的结合能力最强. 进一步分析表明, 苏氨酸含量越高, IBS结合的液态水分子越多, 与冰晶结合时锚定包合水稳定存在的时间就越长, 抗冻蛋白的IBS与冰面之间的氢键网络也越稳定, 从而提高了抗冻蛋白与冰的结合能力. 增加苏氨酸残基的含量是提高中等活性抗冻蛋白抗冻活性的方法.



全椅式边含薁缺陷石墨烯纳米片的二阶非线性光学性质

郑雪莲, 杨翠翠, 田维全

2022, 43(3):  20210806.  doi:10.7503/cjcu20210806

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基于全椅式边石墨烯纳米片(GNSs), 在保证GNSs化学稳定性的前提下并考虑了纳米片形状(六边形、 三角形和平行四边形), 在全椅式边GNSs中分别引入2, 3和4个薁构成的常见本征缺陷来调节这些GNSs的二阶非线性光学性质. 研究结果表明, 薁缺陷数量对于这些GNSs的二阶非线性光学响应起主导作用. 含有4个薁缺陷的GNSs具有较大的二阶非线性光学响应, 其中AP-4a纳米片具有最大的静态第一超极化率(<β₀>,230387.70 a. u., 平均每个重原子的<β₀>为2260.42 a. u.). 纳米片形状对体系的二阶非线性光学响应也有一定的影响. 薁单元片段在GNSs中不仅诱导GNSs发生电荷分布极化, 而且还在对非线性光学响应起重要贡献的主要电子跃迁中起主要作用. 薁单元作为碳基纳米材料的功能单元极大改善了其光电性质.



负载型Pd-Cu催化剂的制备及富氢气氛下CO优先氧化性能

赵婉君, 李潇, 党慧, 王永钊, 赵永祥

2022, 43(3):  20210754.  doi:10.7503/cjcu20210754

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分别以Al₂O₃, SiO₂和C₃N₄为载体, 通过简单浸渍法制备了3种负载型Pd-Cu催化剂(PC-Al₂O₃, PC-SiO₂, PC-C₃N₄), 考察了其在室温下富氢气氛中CO优先氧化反应性能. 采用X射线衍射(XRD)、 傅里叶变换红外光谱(FTIR)、 氮气物理吸附仪(N₂-physisorption)、 氢气程序升温还原(H₂-TPR)、 二氧化碳程序升温脱附(CO₂-TPD)、 X射线光电子能谱(XPS)和原位漫反射傅里叶变换红外光谱(In situ DRIFTS)等手段对其进行了表征. 结果表明, 与PC-SiO₂和PC-C₃N₄相比, PC-Al₂O₃具有更高的CO优先氧化性能. 这是由于PC-Al₂O₃上形成了大量与Pd物种具有强相互作用的Cu₂Cl(OH)₃物种; 而PC-SiO₂中仅有少量的Cu₂Cl(OH)₃, 且与Pd物种相互作用较弱; PC-C₃N₄中Cu物种则更易与C₃N₄基质配位, 由此削弱了Pd, Cu之间的相互作用. 在反应气氛下PC-Al₂O₃表面还易形成具有更强CO活化能力的Pd⁺物种, 通过与大量Cu⁺物种紧密相互作用, 在一定程度上抑制Pd⁺被过度还原为Pd⁰, 从而维持了其催化活性. 与SiO₂和C₃N₄相比, Al₂O₃更适合负载Pd-Cu用于富氢气氛下CO优先氧化反应.



LiCl-NaCl-KCl-H₂O溶液体系渗透压的分子动力学模拟

陈瀚翔, 边绍菊, 胡斌, 李武

2022, 43(3):  20210727.  doi:10.7503/cjcu20210727

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盐湖卤水中含有大量的锂、 钾资源, 发展卤水的渗透压预测模型和方法, 对于资源的综合利用具有重要的指导意义. 本文采用分子动力学(MD)方法结合水溶液渗透压模拟(OPAS)技术, 研究了LiCl-NaCl-KCl-H₂O体系的渗透压模拟方法, 计算了298.15 K下体系多种组成和浓度的渗透压, 并将计算结果与实验值和Pitzer模型计算值进行了对比. 结果显示, 模拟计算值与实验值和Pitzer模型计算值渗透压的趋势基本一致, 包括同种溶液不同浓度和同浓度不同溶液之间的渗透压关系. 该方法可以应用于多元混合物体系对渗透压进行定性和半定量的计算.



光热效应增强的Au/RGO/Na₂Ti₃O₇光催化加氢性能

孟祥钰, 詹琦, 武亚南, 马晓双, 姜靖逸, 孙岳明, 代云茜

2022, 43(3):  20210655.  doi:10.7503/cjcu20210655

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将典型的光热等离激元石墨烯和纳米金简便地负载在钛酸钠(Na₂Ti₃O₇)载体上, 构建出具有较窄禁带宽度和较高光催化活性的Au/RGO/Na₂Ti₃O₇光热辅助光催化体系. 研究发现, 石墨烯片层与金纳米颗粒在光照下, 通过局域表面等离激元共振效应诱导产生大量的热电子, 以活化反应物并降低反应活化能, 其引发的光热效应还可精准提升光催化体系中反应位点附近的温度, 从而大幅提升光催化反应速率. 通过构建特殊微支结构, 进一步增强了Au/RGO/Na₂Ti₃O₇催化剂对光的捕获, 并限域锚定高表面能催化剂以增强体系的稳定性. 在光热、 光催化的高效协同增强下, Au/RGO/Na₂Ti₃O₇催化剂体系对对硝基苯酚和肉桂醛的加氢反应均表现出增强的光催化活性. 光热辅助下的Au/RGO/Na₂Ti₃O₇光催化剂在对硝基苯酚反应中的转换频率（TOF）值高达54.4 min^-1, 反应活化能显著降低至15.78 kJ/mol, 且其在长效测试中表现出良好的稳定性（4次循环催化后, 转化率的保持率近90%）.



辐照交联制备低分子量聚丙烯腈纤维锂硫电池正极材料及其储硫机理

张诗昱, 何润合, 李永兵, 魏士俊, 张兴祥

2022, 43(3):  20210632.  doi:10.7503/cjcu20210632

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通过γ射线辐照交联异型聚丙烯腈(PAN)纤维解决了低分子量聚丙烯腈半碳化中的熔融坍塌问题, 提高了PAN的半碳化稳定性; 采用傅里叶变换红外光谱、 元素分析及核磁共振波谱确定了辐照交联机理. 同时, 根据辐照产生的不同交联度与PAN硫化后载硫量的变化关系, 探讨了硫化聚丙烯腈(SPAN)锂硫电池正极材料的储硫机理. 利用拉曼光谱及X射线光电子能谱等分析手段表征了SPAN中硫原子的反应位置, 说明PAN主链上的亚甲基所在的碳为与硫化学结合的活性位点, 为探究SPAN结构提供了新的依据. 交联度升高对硫化后所形成的SPAN正极材料的电化学稳定性起促进作用, 容量保持率可提升至98%.



高分子化学

透明抗静电多功能超疏水薄膜的制备

王瑞洁, 焦小雨, 潘宇, 王训春, 杨洋, 成中军

2022, 43(3):  20210703.  doi:10.7503/cjcu20210703

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采用提拉法在聚酰亚胺薄膜表面分步涂覆了银纳米线及疏水纳米二氧化硅, 分别构筑了导电网络及超疏水涂层, 制备了超疏水抗静电透明薄膜. 研究结果表明, 超疏水抗静电透明薄膜保持了较高的透光性, 其透光率高于90%. 同时, 银纳米线网络的构筑有效增加了超疏水抗静电透明薄膜的导电性, 使其表面电阻介于10⁶~10¹⁰ Ω之间, 达到了抗静电要求. 水滴在该薄膜表面静态接触角高达156.4°, 滚动角小于1°, 展现了优异的超疏水特性. 通过导电网络及疏水涂层的构筑, 实现了透明及抗静电超疏水多功能的统一.



DOPO衍生物改性碳纳米管的制备及对聚乳酸阻燃性能的影响

高京, 何文涛, 王欣欣, 向宇姝, 龙丽娟, 秦舒浩

2022, 43(3):  20210670.  doi:10.7503/cjcu20210670

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以含羧基的碳纳米管(CNT-COOH)和9,10-二氢-9-氧-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)衍生物DOPO-NH₂为原料, 通过酰氯化反应、 缩合反应等制备了一种新型无机-有机杂化阻燃剂—DOPO衍生物改性碳纳米管(CNT-DOPO), 利用傅里叶变换红外光谱、 透射电子显微镜、 X射线光电子能谱及热重分析等对其结构进行表征并对有机物接枝率进行了定量测试. 结果表明, DOPO-NH₂成功接枝到碳纳米管上, 接枝率约为50%. 将CNT-COOH, DOPO-NH₂和CNT-DOPO以质量分数5%添加到聚乳酸(PLA)中制备阻燃PLA复合材料. 锥形量热测试结果表明, 与纯PLA相比, PLA/5CNT-COOH, PLA/5DOPO-NH₂和PLA/5CNT-DOPO 3种复合材料的热释放速率峰值分别下降46%, 3.4%和39.8%; 炭层形貌和结构分析表明， PLA/5CNT-DOPO的炭层石墨化程度最高, CNT-DOPO₂在凝聚相阻燃方面有明显的促进作用. 流变结果表明, 碳纳米管对黏弹转变影响很明显, PLA/5CNT-COOH和PLA/5CNT-DOPO基本上表现为弹性行为. 正是由于碳纳米管的存在, 使得PLA复合材料在低频区黏度增大, 并且在燃烧后期形成了连续致密的炭层, 有效降低了材料的热释放速率和烟释放.