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反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率、選擇性與反應(yīng)溫度的關(guān)系圖

    納米結(jié)構(gòu)限域的配位不飽和金屬原子是眾多酶催化和均相催化反應(yīng)的活性中心。在負(fù)載型多相催化體系中，實(shí)現(xiàn)可控制備具有類似酶結(jié)構(gòu)特征的高效、穩(wěn)定的活性中心，對(duì)多相催化的發(fā)展具有十分重要意義，也是對(duì)催化基礎(chǔ)理論研究的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

    中科院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室納米和界面催化研究組傅強(qiáng)、馬丁和包信和，與理論催化研究組李微雪等研究人員合作，借助貴金屬表面與單層氧化亞鐵薄膜中鐵原子的強(qiáng)相互作用所產(chǎn)生的界面限域效應(yīng)，結(jié)合表面科學(xué)實(shí)驗(yàn)和密度泛函理論計(jì)算的研究結(jié)果，成功地構(gòu)建了表面配位不飽和亞鐵結(jié)構(gòu)（Coordinatively Unsaturated Ferrous，CUF）。這種界面限域的CUF中心與金屬載體協(xié)同作用，在分子氧的低溫活化過(guò)程顯示出非常獨(dú)特的催化活性，應(yīng)用于富氫氣氛下一氧化碳選擇氧化（CO PROX），在質(zhì)子膜燃料電池（PEMFC）實(shí)際工作條件下（60-80度，水蒸氣和CO2存在），成功地實(shí)現(xiàn)了燃料氫氣中微量CO的高效去除。這一工作以研究報(bào)告(Report)形式發(fā)表在5月28日出版的《科學(xué)》（Science）雜志上(Science 2010, 328, 1141) ，美國(guó)C&E News和英國(guó)Chemistry World同時(shí)對(duì)這一工作進(jìn)行了報(bào)道。

    選擇氧化是化工過(guò)程中非常重要的一類催化過(guò)程，在采用空氣中氧氣作氧化劑時(shí)，往往需要較高反應(yīng)溫度，才能使穩(wěn)定的氧分子在催化劑作用下解離成具有高活性的原子氧物種。但是，這種活性氧物種在高溫下往往具有較差的選擇性，在反應(yīng)中不僅可以將反應(yīng)物氧化成目標(biāo)產(chǎn)物，而且還極易導(dǎo)致深度氧化，釋放出大量的溫室氣體CO2，降低了資源的利用效率。因此，設(shè)計(jì)和調(diào)控催化劑以實(shí)現(xiàn)溫和條件下分子氧的高效活化，是對(duì)催化基礎(chǔ)理論和催化劑創(chuàng)制的一大挑戰(zhàn)。大連化物所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室包信和院士領(lǐng)導(dǎo)的研究組，在理解和認(rèn)識(shí)自然界中高效加氧酶作用原理的基礎(chǔ)上，采用多種先進(jìn)的表面和納米實(shí)驗(yàn)研究手段，并與理論研究密切合作，經(jīng)過(guò)八年多的艱苦努力，在貴金屬鉑表面創(chuàng)造性地構(gòu)建了具有配位不飽和的亞鐵納米結(jié)構(gòu)，成功地實(shí)現(xiàn)了室溫條件下分子氧的高效活化，用于催化CO的低溫脫除和甲醇的選擇氧化等反應(yīng)，取得了重要突破。

    眾所周知，CO在貴金屬表面有很強(qiáng)的吸附作用，阻塞了表面反應(yīng)的活性位，從而導(dǎo)致CO中毒。在大量涉及貴金屬催化的反應(yīng)體系中（如鉑催化加氫反應(yīng)，燃料電池鉑催化劑等），微量CO的存在就會(huì)導(dǎo)致催化劑的迅速失活。包信和等人的研究發(fā)現(xiàn)，在貴金屬鉑表面可以實(shí)現(xiàn)可控生長(zhǎng)2～5納米大小的規(guī)整單層氧化亞鐵（FeO）島，在這些納米島邊緣形成一種配位不飽和的亞鐵中心（CUF）。與李微雪研究員合作，采用基于第一性原理的密度泛函理論對(duì)這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論研究，發(fā)現(xiàn)單層氧化亞鐵的穩(wěn)定存在來(lái)源于Fe與Pt表面的強(qiáng)相互作用，并通過(guò)這種氧化物與金屬界面的限域效應(yīng)穩(wěn)定了納米島邊界上的CUF中心，這些亞鐵活性位對(duì)分子氧具有較強(qiáng)的吸附能力（吸附能為-1.53 eV），但不吸附CO，從而解決了CO的中毒問(wèn)題。進(jìn)一步計(jì)算研究表明，吸附在CUF中心的分子氧在幾乎不需要活化能的情況下便能迅速解離，生成高活性的原子氧物種，完成催化氧化反應(yīng)。

    由基礎(chǔ)研究得到的概念推廣到真實(shí)催化劑的創(chuàng)制過(guò)程，該研究組成功地制備出了SiO2擔(dān)載的粒子尺寸在2～4納米左右的Pt-Fe催化劑，用于氫氣中微量CO的催化脫除反應(yīng)（PROX）。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)原料氣的配比（CO：O2：H2）為1：0.5：98.5時(shí)，在室溫條件下，CO的轉(zhuǎn)化率和氧分子氧化CO的選擇性均達(dá)到100%。這表明，在大量氫氣存在條件下，由該催化劑活化形成的原子氧物種高選擇性地進(jìn)行了CO氧化反應(yīng)；而在相似反應(yīng)條件下，采用通常的鉑催化劑，CO的轉(zhuǎn)化率僅為5%左右。借用新近落成的上海光源裝置（SSRF），在Ｘ射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線站（BL14W1）對(duì)真實(shí)催化反應(yīng)過(guò)程中Pt-Fe催化劑進(jìn)行原位X射線吸收譜表征，發(fā)現(xiàn)當(dāng)催化反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，催化劑表面的鐵物種處于低價(jià)的亞鐵狀態(tài)，這一結(jié)果很好地驗(yàn)證了基礎(chǔ)研究和理論分析得到的結(jié)論。

    該研究組進(jìn)一步與新源動(dòng)力股份有限公司合作，將該催化劑應(yīng)用到質(zhì)子交換膜燃料電池燃料氣氫氣中微量（30 ppm）CO脫除的實(shí)際過(guò)程，在燃料電池真實(shí)操作條件下（60-80度低溫，25%CO2和15%水蒸汽），成功地實(shí)現(xiàn)了CO完全脫除（< 1 ppm）。這是世界上首次報(bào)道的用于燃料電池中CO高效脫除的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果。目前，該催化劑已正常運(yùn)行超過(guò)1500小時(shí)，相關(guān)的催化劑制備技術(shù)和催化反應(yīng)過(guò)程已申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利。

    在這一高效的催化體系中，貴金屬鉑除了提供CO吸附位之外，另一個(gè)非常重要的作用就是像生物酶中的蛋白配體一樣，通過(guò)與鐵的強(qiáng)相互作用提供了一種納米界面限域機(jī)制，穩(wěn)定了具有高活性的CUF結(jié)構(gòu)，并在反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)了催化循環(huán)。依據(jù)這一概念，該研究組正在進(jìn)一步尋找合適的襯底材料（如納米結(jié)構(gòu)碳材料、復(fù)合材料等），使其能發(fā)揮與貴金屬鉑類似的功能，從而實(shí)現(xiàn)這類催化劑中貴金屬的替代。同時(shí)，由此發(fā)展起來(lái)的“界面限域催化”概念，為更深入地理解多相催化反應(yīng)機(jī)制和創(chuàng)制新的納米催化體系提供了重要的理論基礎(chǔ)和科學(xué)指導(dǎo)。

    該項(xiàng)目得到了國(guó)家科技部，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國(guó)科學(xué)院的持續(xù)資助，以及上海光源和合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的支持和幫助。