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[期刊] 中国科学技术大学学报
[作者]
杨康 王长来 邓希 陈乾旺
电催化N_(2)还原反应（NRR）可以在温和的条件下利用可再生的电力将氮气和质子从电解质水溶液转化为氨，被认为是一种非常有前景的替代哈伯法合成氨技术。但是这项技术也面临具大的挑战，因为N_(2)分子中的N≡N键非常牢固，需要高活性的催化剂才能将其断裂。和过渡金属相比，主族s区金属在NRR中很少被研究。本文采用第一性原理计算的方法，发现氧掺杂的石墨烯锚定的镁单原子催化剂（Mg-O_(4)）是一种高活性的NRR电催化剂。理论计算结果表明，N_(2)分子能有效地被Mg-O_(4)活化，并通过非解离交替机制被还原成NH_(3)。此外，分子动力学模拟结果显示Mg-O_(4)具有高的稳定性。
[期刊] 实验技术与管理
[作者]
王兆杰 曹守福 刘思远 李娇 胡玉颖
为了拓展计算材料学实验课程前沿内容，设计了基于第一性原理计算的电催化CO_2还原体系性能研究实验项目。实验包括电催化CO_2还原（ECO_2RR）体系基础学习、计算模型构建、任务提交及计算结果分析等内容。该文介绍了ECO_2RR体系的设计和模拟方法，通过在Mo_2CO_2 MXene基单原子催化剂表面构建电催化体系，对其CO_2吸附机理和还原机理进行了分析，并通过对比生成不同反应产物的反应能量研究了单原子催化剂与ECO_2RR活性和产物选择性的构效关系。
[期刊] 华中师范大学学报(自然科学版)
[作者]
余志强 张昌华 廖红华 李时东 郎建勋
[期刊] 中国科学技术大学学报
[作者]
钟程安 周天培 张楠 陈明龙 谢友学 闫文盛 储旺盛 郑旭升 徐倩 葛建开 吴长征
开发非贵金属催化剂，特别是用于碳上铁氮(FeNC)材料的催化剂，对于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的广泛应用是一个迫切需求。然而，传统铁氮位点在酸性条件下的氧还原反应(ORR)活性较差，严重阻碍了其电池性能的进一步提高。本文通过限域的小分子合成策略，大规模合成了具有一氧化氮(NO)基团轴向修饰的FeN_4 (表示为NO-FeN_4)。得益于NO基团的强吸电子效应，与传统的FeN_4样品相比，富含电子中心FeN_4位点表现出超高的ORR活性，具有三倍高的质量活性(0.85 V时为1.1 A·g~(-1))，以及全四电子反应选择性。此外，用所制备的电催化剂组装的质子交换膜燃料电池也表现出显著增强的峰值功率密度(>725 mW·cm~(-2))。这项工作为合理设计用于氧还原的先进M-Nx非贵金属电催化剂提供了一种新的方法。
[期刊] 实验技术与管理
[作者]
刘煊赫 王怡轩 刘小明 武鑫
金属有机骨架材料(MOFs)具有明确活性位点、可调控结构等特征,是潜在的高效非贵金属氧还原反应(ORR)催化剂。基于此前沿热点课题,该文设计了一种Co/Ni-MOF催化剂催化ORR的综合性实验。采用超声法在常温条件下制备两种MOFs(Ni-MOF和Co-MOF),并对制备的MOFs进行SEM、FTIR、XRD、XPS、BET等结构和形貌表征,以及CV、LSV、RRDE等电化学性能测试,证明了Ni-MOF和Co-MOF在催化ORR领域的应用价值。将MOFs在ORR催化领域的创新性研究成果引入实验化学教学,有助于学生创新精神和实践能力的培养以及科研素养的提升。
关键词：
实验教学 MOFs 氧还原反应 创新实验
[期刊] 华中师范大学学报(自然科学版)
[作者]
严小妹 许超 王浩强 张光旭
Fe(Ⅱ)EDTA络合脱硝技术是烟气脱硝技术中较为常用的一种方法.然而,Fe~(2+)易氧化,损失较大,二次使用困难,导致运行成本高.为了达到络合液重复利用的目的,利用钯-泡沫镍电极对脱硝络合液进行电催化还原再生,主要探究催化剂的负载量、电流密度及反应温度对钯-泡沫镍电极的电催化再生效果的影响.实验结果表明:当采用化学置换将钯负载在泡沫镍电极,负载量为1.0 mg·cm~(-2),电流密度为6 mA·cm~(-2)、温度为30℃时,再生效果最好,Fe(Ⅱ)EDTA-NO的转换率达90.0%、NH~+_4选择性为10.0%、N_2的选择性为90.0%、再生液对NO_x脱除效率在25 min内均大于80%.
[期刊] 华中师范大学学报(自然科学版)
[作者]
李能 曾州岚 刘滨 吴婧 胡福云 谢伟 鲁雪莲
面向"碳达峰""碳中和"国家重大战略,氢能作为一种能量密度高、无污染的绿色能源,将成为我国乃至世界未来能源战略领域发展的重中之重.电解水制氢由于其制备方法简单、制氢纯度高、制备过程无污染等优势而备受关注,但是该方法存在一个严重的缺陷,就是缺乏低成本、高效率析氢反应(HER)催化剂.MXenes是一种新兴的二维(2D)过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物,由于其具有极好的导电性、良好的亲水性、极大的比表面积、可调节的分子结构及多样的化学组成等优势,在析氢催化剂领域存在着潜在的巨大应用.该文总结了MXenes制备、MXenes基电催化析氢性能调控策略及利用机器学习设计MXenes基析氢电催化剂面临的挑战和新的机遇.该文为今后开发新型高效的MXenes基析氢电催化剂,推动氢能的绿色制备提供了参考.
[期刊] 华中师范大学学报(自然科学版)
[作者]
李能 曾州岚 刘滨 吴婧 胡福云 谢伟 鲁雪莲
面向"碳达峰""碳中和"国家重大战略,氢能作为一种能量密度高、无污染的绿色能源,将成为我国乃至世界未来能源战略领域发展的重中之重.电解水制氢由于其制备方法简单、制氢纯度高、制备过程无污染等优势而备受关注,但是该方法存在一个严重的缺陷,就是缺乏低成本、高效率析氢反应(HER)催化剂.MXenes是一种新兴的二维(2D)过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物,由于其具有极好的导电性、良好的亲水性、极大的比表面积、可调节的分子结构及多样的化学组成等优势,在析氢催化剂领域存在着潜在的巨大应用.该文总结了MXenes制备、MXenes基电催化析氢性能调控策略及利用机器学习设计MXenes基析氢电催化剂面临的挑战和新的机遇.该文为今后开发新型高效的MXenes基析氢电催化剂,推动氢能的绿色制备提供了参考.
[期刊] 中国科学技术大学学报
[作者]
陈姊慧 赵川林 刘进勋 李微雪
氢气活化在过渡金属氧化物催化的加氢反应中起到至关重要的作用.二氧化铈(CeO_2)表面上氢气如何活化是乙炔加氢反应中的重要科学问题.本文利用密度泛函理论计算(DFT)的方法,系统研究了化学计量及有氧缺陷的CeO_2(111)、(110)和(100)表面上氢气活化机理.氢气在化学计量的CeO_2表面解离时仅形成羟基,而氧空位的存在可以有效促进氢气活化.CeO_(2-x)(111)和(100)缺陷表面上H~+和H~-物种可以共存,而在CeO_(2-x)(110)缺陷表面上只能观察到H~+物种.化学计量及有氧缺陷的CeO_2表面上氢气活化的结构敏感性与H~+和H~-吸附能有关,并由氧空位形成能以及Ce、O离子的电荷分布决定.该理论工作深入理解了二氧化铈基催化剂上氢气活化过程,为优化和设计高效加氢催化剂提供了理论支撑.
[期刊] 华中农业大学学报
[作者]
杨祥龙 沈晚秋 丁星 陈浩
采用溶剂热法和水热法分别调控合成2种不同晶面暴露的α-Fe_2O_3,通过X-射线粉末衍射、场发射扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜等表征手段证实2种α-Fe_2O_3分别为{001}晶面暴露的纳米片和{110}晶面暴露的纳米棒结构。将2种α-Fe_2O_3应用于电-Fenton去除有机污染物,电催化降解测试表明,将2种α-Fe_2O_3分别负载在碳纤维(CF)上作为阴极材料降解罗丹明B、甲基蓝和阿特拉津等有机污染物时,均表现出稳定的去除能力,且{110}晶面暴露的α-Fe_2O_3纳米棒活性远高于{001}晶面暴露的α-Fe_2O_3纳米片。电化学分析结果表明,{110}晶面暴露的Fe_2O_3相比于{001}晶面暴露的α-Fe_2O_3,具有更强的电子传递能力,在通电条件下其表面的Fe(Ⅲ)更容易被还原成Fe(Ⅱ);而生成的Fe(Ⅱ)会进一步促进·OH和·O_2~-等含氧活性物质的生成,进而提高有机污染物的降解效率。
[期刊] 中国科学技术大学学报
[作者]
刘崇静 圣蓓蓓 曹登丰 陈双明 宋礼
探索高性能电化学析氧反应(OER)催化剂是可再生能源储存和转化的关键。OER过程中的结构重构被认为是高活性催化剂的关键，而追踪OER过程中催化剂的动态变化及识别真正的活性位点则具有挑战性。同步辐射技术能够获得材料中具体元素的局域原子配位环境和电子结构信息，特别是原位测试允许在工况下监测表面氧化状态和局部原子结构转变，能够促进对反应机理的基本理解。因此，在这篇综述中，我们讨论了重构OER电催化剂的最新进展和未来的机遇，重点综述了OER电催化剂重构的诱因及应用、利用原位同步辐射技术追踪重构OER电催化剂的动态过程以及识别真正的活性位点。最后，我们对重构OER电催化剂的发展和推广提出了挑战和展望，希望为先进OER电催化剂的合理设计提供指导。
[期刊] 实验技术与管理
[作者]
奚江波 王刚 孙琦 陈伟
该实验制备了氮掺杂石墨烯-硅酸铝纤维组装体催化剂，并利用该催化剂构筑了连续流催化系统，研究了其对硝基芳烃的无金属催化还原反应机理。实验以氧化石墨烯、氨水和硅酸铝纤维为原料，经水热法合成了氮掺杂石墨烯-硅酸铝纤维组装体催化填料，通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱等对其结构、形貌和元素组成进行了表征，并通过紫外可见吸收光谱、高效液相色谱和气相-质谱联用研究其催化硼氢化钠还原硝基芳烃的转化率和反应历程。
[期刊] 华中师范大学学报(自然科学版)
[作者]
史毅凡 周芷千 胡永红 薛丽 毛彩霞
采用第一性原理方法,系统地研究了Ti_3AC_2/Zr(A=Si,Al)范德华异质结材料的电子结构和弹性性质.根据能带结构,电子态密度和Mulliken布局分布情况,分析了Ti_3AC_2/Zr(A=Si,Al)的电子性质和价键性质.采用广义梯度近似(GGA)计算方法,计算分析了Ti3SiC2/Zr和Ti3AlC2/Zr两种异质结材料的弹性性质和力学稳定性.研究结果表明,Ti3SiC2/Zr和Ti3AlC2/Zr具有较大的各向异性和较好的力学稳定性.且在相同应力的作用下,Ti_3AC_2/Zr(A=Si,Al)范德华异质结材料的形变小于MAX相材料Ti_3AC_2(A=Si,Al)的形变,但大于Zr金属的形变.
[期刊] 教育发展研究
[作者]
朱军文
<正>希腊哲学家亚里士多德在其名著《形而上学》中提出，每个系统中存在一个最基本的不能被违背的命题，即第一性原理。第一性原理作为一种思维方式，因被美国企业家埃隆·马斯克（Elon Musk）成功地运用于创业实践而广受关注。第一性原理要求从最基本原理出发，找出问题的本质，形成解决方案。第一性原理的思维方式或可为高校教师评价改革明确理路。这需要回答什么是高校教师评价的第一性原理、高校教师评价如何及为何会偏离第一性原理、如何从第一性原理出发深化高校教师评价改革等三个问题。
[期刊] 实验技术与管理
[作者]
卢玉坤 鲁克彬 戴昉纳
为了开拓学生的科学眼界，加深学生对于催化剂以及电催化反应的理解，本综合实验设计开发了基于金属-有机框架物（Metal-organic Frameworks，MOF）衍生NiSe_(2)的制备及电催化析氢的综合性实验。实验通过制备MOF纳米片作为前驱体，进一步二次煅烧制备核壳结构的NiSe_(2)@NC催化剂，通过X-射线粉末衍射(Power X-ray Diffraction，PXRD)、X射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS)和透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope， TEM)等分析手段对产品进行表征，最后考察材料的电催化析氢性能。通过本综合实验，学生不仅可以了解相关科技前沿，而且可以更好的掌握MOF及其衍生催化剂的合成方法、电催化性能测试以及电化学工作站等仪器的使用操作技能，为将来从事相关科研或实践工作打下基础。
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