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期刊信息

国内刊号:CN 22-1128/O6

国际刊号:ISSN 1000-0518

主 管:中国科学院

主 办:中国科学院长春应用化学研究所中国化学会

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超亲水/超疏气电解水催化剂的研究进展
谭翠盈, 丁威超, 马婷婷, 肖瑶, 刘健
应用化学    2023, 40 (8): 1109-1125.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.230126
摘要247)   HTML14)    PDF (4817KB)(835)   

电解水制氢是一种环保、简便且易于操控的制氢技术。工业化电解水制氢通常在高电流密度下进行,在制氢过程中会产生大量气泡,而气泡在电极表面聚集粘附会覆盖大量活性位点,导致电解水效率降低。因此,调控气体扩散行为对于工业电解水应用来说至关重要。近年来,超浸润材料因为其独特的润湿性能而备受关注。通过控制催化剂表面的化学组成和多尺度微纳米结构可以构建出超浸润界面材料。此类材料具有超亲水/超疏气的界面结构,有助于水相电解液的有效浸润和原位生成气泡的快速释放,从而提升催化剂的水电解性能。系统介绍了2014年至2023年期间报道的部分具有超亲水/超疏气界面结构的电解水催化剂的现状,概述其材料的合成设计策略和水电解催化性能,并对超浸润水电解催化剂的研究现状、面临的挑战和应用前景进行了总结和展望。

非均相催化制备有机过氧化物的研究进展
张毅城, 查飞, 唐小华, 常玥, 田海锋, 郭效军
应用化学    2023, 40 (6): 769-788.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.220388
摘要228)   HTML11)    PDF (3924KB)(694)   

有机过氧化物的制备通常是采用硫酸、硝酸、磷酸和高氯酸等作催化剂,由于强酸的使用对设备有腐蚀,催化剂不能重复使用,后处理废水量大,处理成本高。采用非均相催化剂制备有机过氧化物越来越受到重视,非均相催化剂具有活性高、稳定性好、可重复使用、后处理简单、设备腐蚀及环境污染小等优点。本文在简要介绍均相制备有机过氧化物的基础上,对制备有机过氧化物的非均相催化剂,包括离子交换树脂、分子筛、相转移催化剂、金属氧化物、高分子载体催化剂和碳基载体催化剂等做了归纳和总结,同时对反应器及制备工艺做了讨论,并阐述了非均相催化合成有机过氧化物的发展方向。研究对于了解非均相催化制备有机化物的进展,开发性能优良的非均相催化剂和优化有机过氧化物的生产工艺具有较强的参考价值和指导意义。

马齿苋在化妆品中的应用及功效研究进展
陶星宇, 胡轩, 吴同川, 郑飞, 越皓, 戴雨霖
应用化学    2023, 40 (6): 820-832.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.220351
摘要278)   HTML11)    PDF (2742KB)(651)   

马齿苋属药食同源中药材,有着极高的药用价值和食用价值。近年来,马齿苋在日用化工领域,尤其是在化妆品领域应用甚广。许多化妆品公司开发的面膜、精华、护肤水和洁面乳等美容产品均添加了其活性成分,但相关的化妆品主要添加了马齿苋醇提物,而添加其水提物成分如多糖、多酚的美容产品较少。新剂型的出现丰富了马齿苋在化妆品经皮递送系统方面的研究,未来可以开发如脂质体、传递体和β-环糊精等新型载体。此文简要地对马齿苋的活性成分、在化妆品中的功效例如美白、抗氧化和抗光老化等以及其在化妆品领域的应用情况进行总结,并对马齿苋在化妆品原料的开发应用上提出建议并进行展望。

MOFs基催化剂活化过硫酸盐在废水处理中的研究进展
汤振春, 周新全, 王佩佩, 苗娟, 张宁, 张瑞昌, 魏学锋
应用化学    2023, 40 (7): 938-950.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.230009
摘要206)   HTML14)    PDF (1936KB)(633)   

金属有机框架(MOFs)材料作为一种新兴的多功能材料,因其高的比表面积、可调的孔隙结构、优异的热稳定性和化学稳定性等优势,在催化活化高级氧化水处理领域引起越来越多关注。本综述聚焦于近5年MOFs基催化剂活化过硫酸盐在水处理领域的研究进展。汇总了过硫酸盐活化领域中的各类MOFs基催化剂;介绍了过硫酸盐活化中MOFs基催化剂的常用合成方法; 归纳了MOFs基催化剂在活化过硫酸盐过程中的氧化机制; 总结了MOFs基催化剂的常见改性方法; 最后,对MOFs基催化剂活化过硫酸盐未来研究方向提出了几点建议。有助于加深对MOFs基催化剂活化过硫酸盐降解有机污染物的认识,为开发基于过硫酸盐活化的MOFs基新型非均相催化剂提供理论参考。

AB 2型Laves相储氢合金研究进展
修海祥, 刘万强, 尹东明, 程勇, 王春丽, 王立民
应用化学    2023, 40 (5): 640-652.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.220304
摘要220)   HTML13)    PDF (3075KB)(603)   

AB2型储氢合金因其具有理论储氢容量高、循环寿命长以及性价比高等优点引起研究者的广泛研究兴趣。但是,AB2型储氢合金还存在活化困难、易毒化以及平台高等缺点阻碍了其实际应用。近年,针对AB2型合金的缺点,研究者们进行了大量的改性研究,并取得了很大进展。本文综述了AB2型储氢合金近30年以来的研究进展情况,重点介绍了改善其储氢性能的方法,提出了AB2型合金今后的重点研究方向。

浅析尿素电解制氢及尿素燃料电池研究进展
尹春, 李家欣, 冯立纲
应用化学    2023, 40 (8): 1158-1174.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.230131
摘要267)   HTML13)    PDF (3960KB)(577)   

尿素作为有效的氢载体,可应用于尿素电解(UE)制氢和直接尿素燃料电池(DUFC)。在尿素电解制氢中,阳极的尿素氧化反应(UOR)与阴极的析氢反应(HER)耦合生产氢气,与水电解制氢相比更具成本效益,能耗约降低30%,经济成本约降低36%。在直接尿素燃料电池中,尿素作为燃料在阳极进行氧化,与阴极的氧还原耦合将化学能转化为电能。UOR作为这2种能量转换技术的基础半反应,受到越来越多的关注。本文讨论了UOR在碱性电解质中的反应原理和性能描述参数,分别介绍了UOR在UE和DUFC中的应用,主要对UE和DUFC的作用原理和一些催化剂的发展现状进行了分析,最后探讨了UE和DUFC发展面临的挑战,希望本篇综述能对UE和DUFC的理解提供参考。

木质素的功能化与应用研究进展
熊兴泉, 张辉, 高利柱
应用化学    2023, 40 (6): 806-819.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.220363
摘要544)   HTML30)    PDF (2334KB)(548)   

木质素是地球上一类含量丰富且重要的天然高分子材料,其地位仅次于纤维素。在木本植物中,木质素的质量分数达到25%。由于木质素的化学惰性和结构复杂性,其实际应用受到了很大的限制。因此,利用化学方法对木质素进行结构改性是将木质素转化为木质素基功能材料的有效途径,对实现资源和环境的可持续发展有着重要意义。本文综述了近10年来木质素功能化发展和应用的相关研究进展,重点介绍了木质素在污水处理、异相催化以及阻燃等方面应用的研究成果,并对该领域未来的研究提出思考和展望,为后续更加深入的研究提供相关的依据和参考。

两电子氧还原制备过氧化氢:贵金属催化剂的几何与电子结构调控的研究进展
罗二桂, 唐涛, 王艺, 张俊明, 常宇虹, 胡天军, 贾建峰
应用化学    2023, 40 (8): 1063-1076.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.230048
摘要258)   HTML17)    PDF (4459KB)(515)   

通过两电子氧还原反应(2e-ORR)电化学合成过氧化氢(H2O2)的显著优势是高成本效益和环境友好性,且可以实现H2O2的按需现场生产,其关键技术之一是安全、经济和高效2e-ORR催化剂的开发。本文概述了利用2e-ORR制备H2O2贵金属基催化材料近10年的研究进展。从ORR反应机理出发,介绍了贵金属表面反应途径的调节旋钮,即*OOH结合能和O2吸附模式; 重点总结并举例说明了贵金属材料的几何结构和电子结构调控的方法学,强调了平衡优化催化活性和选择性的重要性; 此外,简要介绍了基础实验室中2e-ORR催化剂性能的评估方法; 最后,讨论了贵金属电催化合成H2O2的挑战和前景,特别是催化剂的稳定性和成本的客观评价。旨在为新型2e-ORR催化剂的理性设计提供参考。

火炸药和化学
杨德红, 杨洋, 王坤, 范文捷, 何方, 张留学, 赵尧敏
应用化学    2023, 40 (6): 916-922.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.220390
摘要256)   HTML650)    PDF (3115KB)(459)   

火药是中国古代四大发明之一,曾对世界格局和发展进程产生重要影响,然而明末清初之后火药火器在中国却日益衰落。火药随战争移步西方,变身黑火药,促进了近代化学科学的诞生和发展。而化学科学的发展对火炸药大家族意义非凡,二者之间彼此成就,缘分匪浅。中国现代火炸药王的辉煌成就重焕中国火药之荣光。论文回顾了火炸药的传奇发展历程和开天辟地的作用,讲述其特种化学能源的属性、丰富的种类和独特的工作原理,并努力追溯火药燃烧和爆炸的内在机制。旨在凸显科学思维方式及化学学科的发展对火炸药研究的重要性,从而不断丰富化学专业学生的知识内涵,激发学生的创新思维热忱,增强化学人的专业自信、文化自信和民族自信,弘扬科学家精神。

高性能硅基负极聚合物粘结剂的研究进展
陈兵帅, 卓海涛, 黄书, 陈少军
应用化学    2023, 40 (5): 625-639.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.220284
摘要218)   HTML9)    PDF (1675KB)(418)   

硅(Si)由于其具有超高理论比容量而成为最有前途的下一代锂离子电池的负极材料。但是,锂离子的嵌入和脱出会造成硅体积的巨大变化,进而导致Si的粉化,致使电极容量产生不可逆的衰减,严重限制了硅基材料的广泛应用。然而过去的大量报道表明,聚合物粘结剂可以有效克服由于硅微粒的体积膨胀而产生的“孤岛效应”,保持电极在充放电过程的完整性,进而提高电极的电化学性能。对聚合物粘结剂按结构分类,可以将其大致分为4类,即线型、支化型、交联网络型及共轭型。不同分子结构的粘结剂用作硅基负极粘结剂时,电极表现出不同的电化学性能。特别是设计出具有多种分子结构的聚合物粘结剂,极大地促进了硅基负极的实际应用。通过对比具有不同分子结构的聚合物粘结剂用于硅基负极取得的效果,可以清晰地得到最有效的分子结构,对未来硅基负极聚合物粘结剂的开发提供思路。最后,本文提出了下一代聚合物粘结剂的设计方向,以促进其向可大规模应用和工业化生产的方向发展。

MXenes的刻蚀方法及其在有机溶剂中的分散性
马雯雯, 李彤阳, 汤华国, 乔竹辉
应用化学    2023, 40 (7): 1044-1053.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.230064
摘要192)   HTML6)    PDF (5846KB)(414)   

MXenes是一种亲水性二维无机材料,具有良好的可调控性。通过调控表面形貌和表面端基使其拥有更广泛的分散性能和应用特性。本研究对MXenes刻蚀方法和在有机溶剂中的分散性进行了研究,研究发现Al作为“A”层的MAX相更易刻蚀生成Ti3C2T x,且HF刻蚀可以得到多层Ti3C2T x,利用HCl+LiF原位生成HF刻蚀更容易得到单层Ti3C2T x 溶液。使用DMF等有机溶剂作为助分散剂可以将Ti3C2T x 由亲水性转变为疏水性,且其作为助分散剂可以将Ti3C2T x 有效分散在润滑油中; 而十二烷基磷酸修饰的Ti3C2T x 表现出较好的疏水性,水接触角高于90(°),可以制备更高浓度的Ti3C2T x -润滑油分散液。这为MXenes的有机分散和润滑油添加剂的应用提供了广阔的思路和坚实的基础。

苯硼酸选择性结合的pH响应脂质体用于药物递送
谢信涛, 江桑铌, 于喜飞
应用化学    2023, 40 (6): 860-870.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.220385
摘要236)   HTML6)    PDF (3478KB)(377)   

通过取代反应和酯化反应合成了一端以酰胺键连接苯硼酸(PBA)另一端以酯键连接硬脂酸(SA)的聚乙二醇(PEG)的衍生物PBA-PEG-SA,并将之与二硬脂酰胆碱磷酸(DSCP)、胆固醇(CH)共组装制备了一种具有pH响应特性的脂质体(Lip)。研究表明,当m(PBA-PEG-SA)∶m(CH)∶m(DSCP)=1∶3∶10共组装时,所制备的脂质体的粒径为115 nm,在20 d内保持良好的粒径稳定性,并且具有良好的生物相容性,在质量浓度达到800 μg/mL时,小鼠胚胎成纤维细胞(NIH-3T3)和肝癌细胞(HepG2)的存活率皆可达到90%以上。同时,由于苯硼酸与果糖(Fru)的选择性结合,在负载阿霉素(Dox)后,与DSCP脂质体药物(Lip/Dox)相比,Fru/PBA/Lip/Dox脂质体可以有效增强对HepG2细胞的毒性,降低对正常细胞NIH-3T3的毒性,同时也改善了细胞对载药脂质体的内吞作用。因此,DSCP与PBA-PEG-SA共组装形成的脂质体,具有良好的pH响应性能以及增强脂质体在肿瘤组织的富集能力,在肿瘤治疗领域具有较好的应用前景。

酸性环境下析氧反应Ir、Ru贵金属电催化剂的研究进展
钱音男, 石钏, 张卫, 罗兆艳
应用化学    2023, 40 (8): 1126-1139.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.230129
摘要265)   HTML17)    PDF (2372KB)(376)   

水电解法是利用可再生能源生产氢气的最有效、最环保的方法之一。质子交换膜(PEM)水电解槽对可再生能源的储存和转化具有重要意义,与碱性电解水相比,具有设计紧凑、电压效率高和气体纯度高等优点。然而,阳极电催化剂的低效率、不稳定性和高成本阻碍了PEM水电解。许多析氧反应(OER)电催化剂在恶劣的酸性环境下,在OER电位作用下容易发生溶解或表面结构转变,最终导致催化性能急剧下降,因此酸性OER是阻碍PEM水电解槽实际应用的主要因素之一。高效、经济和耐用的电催化剂可降低OER的高动力学势垒,加速其反应动力学。迄今为止,Ir和Ru基纳米材料仍然代表着最先进的催化剂,已经设计和合成了多种先进的贵金属电催化剂,以增强酸性OER性能。本文综述了近5年性能优异的酸性OER新型电催化剂的研究进展。首先,讨论了对酸性OER的基本认识,包括其反应机理。在此基础上,对贵金属Ir、Ru单原子、合金和氧化物等方面综述了贵金属酸性OER电催化剂的设计和合成进展。最后,从反应机理研究和更高效的电催化剂设计等方面对酸性OER的未来发展提出了展望。

特种沥青的研究进展
梁晰童, 郭丹, 初人庆, 武云, 张媛媛
应用化学    2023, 40 (7): 951-963.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.230040
摘要204)   HTML6)    PDF (2560KB)(375)   

特种沥青具有高附加值、应用场景专一和开发难度大等特点。本文综述了特种沥青的研究进展,包括改质沥青、浸渍剂沥青、包覆沥青、中间相沥青及其它种类沥青。在研发特种沥青的过程中,研究人员应加强表征手段的应用,进一步明确沥青产品生产过程中的原子、分子及化合物等多尺度的变化规律,从而调控研发和生产过程中的关键工艺条件。针对不同原料特性,建议采取适合的加工工艺,生产不同种类的特种沥青,实现沥青资源的精细化、标准化和高附加值化利用。

共价有机框架的构筑策略及其在肿瘤治疗中应用的研究进展
王超宇, 赵璐, 王科伟, 白云峰, 冯锋
应用化学    2023, 40 (7): 976-994.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.230092
摘要139)   HTML1)    PDF (5772KB)(358)   

纳米医学要求制备具有多种响应功能或者靶向的药物(基因)递送载体,为此不断引入新的纳米材料。作为一类新兴的晶体多孔材料,共价有机框架(Covalent organic frameworks, COFs)具有高结晶度、孔径可调和表面结构易修饰等特点。COFs的框架结构完全由构建单元及反应类型决定,可以由框架化学原理进行设计以得到预期结构,结构表面暴露的活性端基使其可通过合成后修饰策略进行功能化,这些特点均扩大了COFs在纳米医学领域的适用性。本综述从不同反应类型的角度对COFs的制备策略进行简要讨论,并详细对COFs作为抗肿瘤剂和递送载体在肿瘤治疗中的应用进行整理分析,最后探讨了COFs在肿瘤治疗领域现有的问题并对其未来发展方向进行了展望。

滑动弧等离子体固氮研究进展
徐晓芳, 陈强, 张海宝
应用化学    2023, 40 (7): 923-937.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.220352
摘要204)   HTML24)    PDF (5239KB)(353)   

传统工业固氮采用哈伯-博施(Haber-Bosch)工艺,但是需要高温高压,能耗高,污染严重。滑动弧等离子体(Gliding arc plasma, GAP)兼具热等离子体和冷等离子体的优点,能够高效地产生活性物种,显著提高能量效率,使其在固氮领域具有很大的潜在应用价值,近年来受到人们的广泛关注。然而,目前GAP固氮相关研究还比较零散,有必要对具体内容进行总结归纳。本文主要综述了近10年来国内外GAP固氮研究进展,主要包括GAP放电机制、反应器设计、工艺参数研究以及固氮反应机理研究。GAP放电存在击穿伴随滑动放电的B-G模式和持续稳定放电A-G模式,A-G模式放电有助于提高固氮效率。随着滑动弧放电技术的不断发展,GAP反应器中电极结构从传统的2D刀片结构演变到了多种3D柱形结构。通过工艺优化,GAP有助于N2分子的振动激发,从而促进N2分子的分裂转化。最后,对GAP固氮研究进行了展望。

本体金属氧化物在丙烷无氧脱氢中的研究进展
于宜辰, 张雨宸, 张耀远, 吴芹, 史大昕, 陈康成, 黎汉生
应用化学    2023, 40 (6): 789-805.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.220414
摘要167)   HTML5)    PDF (5349KB)(350)   

丙烯作为基本的化工原料,近年来需求不断增加,传统蒸汽裂解和催化裂化工艺难以满足丙烯需求。丙烷脱氢(PDH)工艺因原料来源丰富、丙烯选择性高和产物简单易分离等优势备受关注。传统PDH催化剂为Pt-Sn/Al2O3和CrO x /Al2O3,但铂基催化剂价格昂贵,铬基催化剂毒性较高。本体金属氧化物(氧化锆、氧化钛、氧化铝、氧化钨、氧化铕和氧化钆)催化剂具有本征活性高、价格低廉和无毒环保等优势,展现出一定的应用前景。基于此,主要从反应机理和催化剂结构性质调控2个方面综述本体金属氧化物在PDH反应中的研究进展。总结发现配位不饱和的金属阳离子(M c u s + )是主要的脱氢活性位点,其浓度可通过晶粒尺寸、晶相、金属掺杂、贵金属纳米粒子负载和还原性气体(氢气、一氧化碳)预处理等方式进行调控,进而提高PDH反应性能。最后,指出在本体金属氧化物基础上耦合其它脱氢活性位点(金属或金属氧化物)是进一步提高PDH催化性能的有效途径。

天然产物Polygalolides的全合成研究进展
李佳铮, 何述钟
应用化学    2023, 40 (5): 615-624.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.220223
摘要242)   HTML22)    PDF (4777KB)(317)   

Polygalolide A和B是从药用植物黄花倒水莲(Polygala Falax Hemsl)的根茎中分离得到的2个新型酚类化合物。该类天然产物具有复杂紧凑的四环笼状骨架,包含1个高度氧化的环庚酮、3个含氧杂环及2个连续的桥头季碳中心等结构特征。本文综述了3个课题组分别利用(5+2)环加成、分子内(3+2)环加成和分子内亲核取代构建中心四环,后经向山羟醛缩合得到目标天然产物。这些工作为该分子生物活性的研究奠定了基础。

基于环糊精的抗肿瘤药物主客体递送系统研究进展
刘小英, 陈方敏, 张惠娟, 于海军
应用化学    2023, 40 (7): 964-975.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.230055
摘要168)   HTML5)    PDF (5407KB)(317)   

恶性肿瘤是威胁人类健康的重大疾病。开发安全高效的抗肿瘤药物及其递送系统是改善抗肿瘤药物疗效的重要保证。近年来,基于环糊精的抗肿瘤药物主客体递送系统受到了广泛关注。环糊精是通过淀粉酶解获得的环状低聚糖,具有外部亲水内部疏水的特殊结构,在基因治疗、免疫细胞治疗、免疫靶向治疗和化疗中均得到了广泛的应用。本综述主要总结了环糊精作为抗癌药物递送载体近10年的相关进展,同时对主客体递送系统在癌症治疗方面的机遇和挑战进行了展望和讨论。

推拉电子结构手性四配位硼的光学性质
杨悦, 黄诗雯, 佟玥, 陈泽达, 马本华, 窦传冬
应用化学    2023, 40 (5): 743-748.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.220398
摘要197)   HTML4)    PDF (1689KB)(315)   

圆偏振发光(Circularly polarized luminescence,CPL)有机分子是一类重要的手性光学材料,在有机光学和有机电子学等领域受到广泛关注。通过引入手性联萘基团和构建推拉电子结构的设计理念同时实施到双硼氮桥联联吡啶单元,发展出了一系列具有推拉电子结构的手性四配位硼分子。结果表明,改变给电子单元可以调节分子的发光现象,含有二苯胺(2a)和咔唑(2b)单元的分子展现出典型的聚集诱导荧光淬灭现象,而含有9,9-二甲基-9,10-二氢吖啶(2c)单元的分子具有特征的聚集诱导发光性质。手性联萘基团的引入使3个分子具有手性光学性质,展现出圆二色信号和圆偏振发光特性,它们的不对称因子均超过了1×10-3,另外,改变给电子单元有效调节了手性分子的发光颜色。

固体氧化物燃料电池电极表面原位析出的研究进展
孟君玲, 田川, 徐娜, 赵丽娜, 钟海霞, 徐占林
应用化学    2023, 40 (10): 1335-1346.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.230141
摘要318)   HTML35)    PDF (2631KB)(300)   

固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cells, SOFC)是一种能量转换装置,具有转换效率高、环境友好和燃料适应性强等优点,其中,电极作为电化学反应场所,对SOFC的性能起关键作用。相较于传统的SOFC电极,表面析出纳米颗粒后电极表现出较强的催化活性和优异的电化学性能。本文就钙钛矿型电极材料表面原位析出的研究予以总结。首先,探讨钙钛矿的晶体结构类型对电极表面原位析出的影响; 其次,详细地介绍了钙钛矿中各种缺陷对析出纳米颗粒的影响; 而后对比了目前主要的两种原位析出方式,并对不同的析出产物进行了分析。最后,提出了目前SOFC电极表面原位析出研究所面临的难点与挑战,并对其未来的发展方向进行了总结,这为以后相关的研究指明了方向。

过渡金属磷酸盐电解水催化剂调控策略研究进展
郭颖华, 周顺发, 李静, 蔡卫卫
应用化学    2023, 40 (8): 1094-1108.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.230108
摘要197)   HTML7)    PDF (4218KB)(297)   

长期以来,过渡金属磷酸盐因其安全清洁、低廉高效的优点在电解水催化剂领域备受研究者们的关注。磷酸盐中的磷酸基团具有独特的原子几何结构、较强的协调性以及多种取向性,使其有利于稳定过渡金属的中间价态并加速质子传导速率。然而其电导率差、孔隙率低的缺点则促使研究者们探究设计更加高效的过渡金属磷酸盐电催化剂。虽然科研人员为此投入了大量的时间和精力,在过渡金属磷酸盐电催化剂高效开发利用上仍有许多问题亟待解决。在此,结合过渡金属磷酸盐电催化剂近10年的最新研究进展,重点从形貌调控、缺陷工程和界面工程等几方面介绍了近几年科研工作者对于磷酸盐的开发设计策略。同时,从科学研究及实际应用方面讨论了该类催化剂在未来材料领域需要面对的机遇与挑战。

结晶型聚苯乙烯/氢化聚(苯乙烯 -丁二烯 -苯乙烯)阴离子交换膜的制备、结构及性能
王芙琳, 赵忠夫, 梁一鸣, 黄见恩, 张春庆
应用化学    2023, 40 (6): 833-844.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.230005
摘要146)   HTML2)    PDF (5776KB)(288)   

以低数均相对分子质量均聚聚苯乙烯(hPS)和氢化聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)(HSBS)为原材料,经氯甲基化、季胺化和碱化步骤制备以聚丁二烯加氢得到的结晶相为支撑结构的复合型阴离子交换膜(AEMs),并通过hPS用量调节复合膜的组成、结构及性能。随hPS用量增加,拉伸强度有所降低,杨氏模量由14.68 MPa大幅提升至69.35 MPa,吸水率从17.9%增加到54.3%,而溶胀度仅从4.1%增加到10.2%,借助HSBS结晶结构的支撑,体系的力学性能及尺寸稳定性优于多数聚(苯乙烯-(乙烯-丁二烯)-苯乙烯)(SEBS)基AEMs; 同时,AEMs结晶微区之间的距离增大,离子传输通道拓宽,离子交换容量值从0.82 mmol/g增大至1.94 mmol/g,耐碱稳定性增强; 然而,由于hPS在HSBS中的相容性受HSBS中聚苯乙烯(PS)含量的制约,AEMs的离子电导率值随hPS含量增加呈现出先升后降的变化趋势,其中,氯甲基化HSBS与氯甲基化hPS以质量比8∶2共混制备的AEMs具有最好的离子传输性能,在80 ℃时离子电导率高达101.3 mS/cm,远高于PS含量相同的SEBS体系,在70 ℃下其极化和功率密度曲线开路电压高达0.970 V,功率密度随着电流密度的增加呈现出先升后降的变化趋势,在188 mA/cm2的电流密度下实现了高达299 mW/cm2的功率密度。

磁性NiFe 2O 4负载Ru催化5-羟甲基糠醛选择性氧化合成2,5-呋喃二甲酸
杨玉雯, 齐婧瑶, 李林, 楚国宁, 王赛, 张钰, 张爽
应用化学    2023, 40 (6): 879-887.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.220396
摘要147)   HTML3)    PDF (3915KB)(279)   

采用水热-煅烧法制备了磁性镍铁尖晶石载体NiFe2O4,再采用浸渍-还原法在载体上负载Ru纳米粒子制备Ru/NiFe2O4催化剂。采用X射线衍射(XRD)、N2吸附-脱附(BET)、NH3程序升温脱附(NH3-TPD)、H2程序升温还原(H2-TPR)、X射线光电子能谱(XPS)和电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)测试对催化剂进行表征分析。结果表明,Ru/NiFe2O4催化剂表面氧物种丰富,相较于载体,负载Ru后催化剂比表面积和表面酸量增加,Ru与载体存在相互作用,这可能是催化剂高活性和高稳定性的关键。将催化剂用于5-羟甲基糠醛(HMF)的选择性氧化,负载Ru后,催化剂催化活性显著提升。对反应条件进行优化,在添加0.08 g KHCO3,氧化剂O2压力为1 MPa,反应温度为80 ℃,使用0.1 g Ru/NiFe2O4催化剂,在水溶液中反应12 h HMF能完全转化,2,5-呋喃二甲酸(FDCA)产率为98.1%。Ru/NiFe2O4循环使用5次后仍能保持较高的活性,催化剂上活性组分Ru不易浸出,并且催化剂具有磁性能便于与反应溶液分离。为今后工业化催化HMF高效选择性氧化合成FDCA提供参考。

样品质量控制对X射线衍射测量结果的影响
肖娟, 石志锋, 刘佳, 李冰, 徐昕荣
应用化学    2023, 40 (5): 720-729.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.220349
摘要402)   HTML4)    PDF (2744KB)(276)   

以生物材料羟基磷灰石(HA)为样品模型,系统研究了HA样品在不同质量状态下对X射线衍射测试结果的作用。通过考察样品状态确认(块体、层状和粉末等)、实验方法选择(粉末多晶衍射和薄膜掠入射衍射等)以及环境条件控制(温度、湿度及X射线下辐照时间等)等因素,评价样品的质量控制对X射线衍射(XRD)检测数据准确性与真实性的影响。结果表明,与HA块状样品相比,经过研磨过筛处理后的粉末试样XRD特征峰强度显著增强,差异可增加至1倍以上。针对HA多层状生长样品,结合掠入射和常规粉末衍射可精准实现各层物相解析。HA粉末样品的粒径、样品量及对应的装填方式会影响XRD检测结果,粒径37 μm的HA粉末样品的特征峰强是粒径137 μm样品1倍左右;而少量样品的中部空置制样,可导致特征峰峰位由31.8(°)偏移至31.4(°),峰强从11213.68降到601.65。另外,对于稳定性不佳或对环境温湿度敏感的试样,采取合适的保存和检测方式,可有效预防和避免错误的检测与结果分析。因此,全面的质量控制对高质量的XRD检测数据获取和确保实验数据质量至关重要。

电容去离子过渡金属基电极设计及应用研究进展
邢思阳, 于飞, 马杰
应用化学    2023, 40 (9): 1215-1232.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.230142
摘要211)   HTML9)    PDF (6588KB)(252)   

电容去离子(Capacitive deionization, CDI)作为一种新兴的水淡化和离子分离方法,由于其离子选择性高、水回收率高和能耗低等优点受到广泛关注。与传统的基于碳电极的CDI相比,新兴的法拉第电极通过离子捕获的法拉第反应,提供了使得CDI的脱盐性能大幅提升的独特机会。而过渡金属基电极由于其高度可逆的法拉第响应,相对较高的导电性以及出色的理论赝电容值等优势,在CDI电极设计领域受到广泛关注。本文系统地归纳和梳理了过渡金属基电极在CDI应用中的材料分类,总结了针对其本征缺陷所进行改性工程,主要包括导电材料耦合、功能结构工程和缺陷工程等,并对其在海水淡化中的性能进行了总结; 此外,从离子选择性分离、金属离子去除和营养元素回收等方面介绍了过渡金属基电极在CDI中的特定应用。最后,概述了剩余的挑战和研究方向,为未来的过渡金属基电极的开发与研究提供指导。

基于MoS 2纳米花的表面离子印迹材料的制备及性能
武彦彬, 李利珍, 李俊华, 许志锋
应用化学    2023, 40 (7): 1024-1033.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.220411
摘要144)   HTML7)    PDF (2512KB)(244)   

以镉离子做模板离子,以多巴胺为功能单体和交联剂,通过多巴胺的自聚合反应,在二硫化钼(MoS2)纳米花的表面形成一薄层镉离子印迹聚合物。通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、X射线粉末衍射仪(XRD)、热重分析仪(TGA)以及比表面和孔径分布分析等表征了离子印迹材料(IIM)的形貌和结构,确证了印迹聚合层的生成。平衡吸附实验结果表明,由于IIM的印迹位点位于MoS2纳米花的表面,可接触性好,因而IIM对镉离子结合速度快,吸附25 min即可达到平衡。同时,该印迹材料具有很好的印迹效果(印迹因子为6.877),对镉离子有很强的特异性识别能力,特异性结合量为518.1 μmol/g。Scatchard模型分析表明印迹材料的结合位点对镉离子的亲和力不是均一的,可以分为高亲和力和低亲和力两部分。吸附等温模型分析表明,印迹材料对镉离子的吸附行为符合Langmuir吸附等温模型,由该模型可以计算出其对镉离子的最大吸附量为1081.0 μmol/g。本研究为制备对重金属离子具有高选择性吸附能力的印迹材料提供了一种简单、可靠的方法。

硫辛酸修饰钛酸纳米管吸附亚甲基蓝的性能
郝晨丽, 丁庆伟, 贾世昌, 毛泱博, 王松柏, 马骏
应用化学    2023, 40 (5): 749-757.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.220406
摘要147)   HTML2)    PDF (4020KB)(243)   

在水热法制备钛酸纳米管(Titanate nanotubes,TNTs)的基础上,再通过浸渍法将硫辛酸(Lipoic acid,LA)修饰到钛酸纳米管上,得到硫辛酸修饰的钛酸纳米管(TNTs-LA)。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X光电子能谱仪(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等仪器对材料进行表征,并以亚甲基蓝(MB)的吸附实验评价其吸附性能。结果表明,TNTs-LA对MB的吸附主要集中于前30 min,60 min可达吸附平衡。MB的去除与溶液pH值有关,且符合二级反应动力学方程,吸附过程是一个多种机制共同作用的结果。Langmuir等温模型拟合得出TNTs-LA对MB的最大吸附量为216.98 mg/g,有较高的吸附能力。

高精度无损质子交换膜燃料电池膜电极Pt载量与分布测试方法
段骁, 曹锋, 周扬, 张斌, 董蔚雯, 魏伶俐, 李佳, 刘建国
应用化学    2023, 40 (6): 845-852.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.220379
摘要178)   HTML1)    PDF (999KB)(242)   

随着质子交换膜燃料电池商业化的推进,为提高膜电极制造的可重现性, 保障膜电极制造工艺的产品控制,需要Pt载量和分布无损高精度在线检测提供技术支撑。根据欧姆定律与焦耳定律,利用质子交换膜燃料电池膜电极在直流激励电压下产生的电流密度和热分布信号可以对膜电极电阻进行分析,通过膜电极Pt载量与其电阻的关系就可以实现膜电极Pt载量和空间分布分析。通过不同直流激励电压下电流测试,证明了膜电极电阻与Pt载量反相关,Pt载量定量表征精度为0.0008~0.0025 mg/cm2; 利用红外热成像法对直流激励电压下膜电极热分布信息的采集成功实现了Pt载量分布的定性分析; 最后,通过直流激励前后膜电极性能的对比证明了该方法对膜电极性能是无损的。高精度无损的直流激励测试方法可以实现膜电极Pt载量的高效在线测试,提高膜电极质量和制造效率,降低膜电极制造成本,对于质子交换膜燃料电池大规模商用具有重要意义。

草甘膦废液处理及资源化利用研究进展
臧志飞, 梁杰, 习本军, 彭春雪, 刘渊, 王晨晔, 王朵
应用化学    2023, 40 (9): 1233-1244.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.220395
摘要203)   HTML6)    PDF (2049KB)(241)   

草甘膦[N-(磷酸甲基)-甘氨酸]是一种除草活性高的有机磷农药,其生产过程产生的废液成分复杂,有机物和盐含量高,无害化处理和资源化利用难度大。本文综述了2000年至今焚烧、高级氧化、吸附、化学沉淀和膜分离技术等国内外处理草甘膦废液主要工艺的原理、性能和优缺点。焚烧、高级氧化技术及生化法处理草甘膦废水的选择性较低,不利于草甘膦废水的资源化利用。吸附法普遍存在吸附剂吸附容量小的问题,开发吸附量大、成本低廉且易循环利用的吸附剂是草甘膦废液处理工业应用的发展方向。化学沉淀法在高盐、高总磷和高化学需氧量(Chemical oxygen demand, COD)废水环境中分离性能优异,但产生大量成分复杂的污泥,需进行二次处理。采用膜组合方法对废液进行除杂浓缩,可有效回收有价产品,截留有害物质,但因废水成分复杂,单独使用膜技术处理草甘膦废水不能完全达到处理指标。液膜、聚合物包容膜等新型膜技术稳定性好、使用寿命长、操作简便和环境友好等,在草甘膦等农药行业中高盐有机废水的绿色经济处理和有价物高值回收利用等领域展示了广阔的应用前景。

电解水析氢反应磷化钴异质结催化剂的研究进展
王伟, 李家源
应用化学    2023, 40 (8): 1175-1186.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.230135
摘要209)   HTML27)    PDF (6044KB)(240)   

氢气(H2)作为一种可再生的绿色能源,在解决环境和化石能源紧缺问题受到了广泛关注。发展高效、稳定和低成本的析氢反应(Hydrogen evolution reaction, HER)电催化剂是目前氢能大规模利用面临的主要挑战之一。磷化钴(CoP)由于其类金属特性及耐酸碱腐蚀等优点,在电催化HER领域中受到广泛研究。本文以CoP与其它纳米材料形成的异质结所产生的不同效应提升HER活性为出发点,首先介绍了CoP异质结作为电催化剂用于电催化HER的优势及其所面临的挑战,其次从CoP异质结产生的不同效应在电催化HER发挥的作用等方面进行了系统的论述,最后总结和展望了CoP异质结在电催化HER方向的发展前景。

非Pt基催化剂在质子交换膜燃料电池阴极氧还原反应中的研究进展
董以宁, 李赫, 宫雪, 韩策, 宋平, 徐维林
应用化学    2023, 40 (8): 1077-1093.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.230075
摘要203)   HTML13)    PDF (3790KB)(240)   

对绿色、高效能源储存装置日趋强烈的需求,使得用于清洁能源转换的先进技术获得了研究者的密切关注。具有环境友好、高能量转换效率等优势的燃料电池是传统能源转换装置极具希望的替代品。然而,工业催化界中商业化程度高的Pt体系催化剂存在成本高、稳定性差和抗毒化能力弱等问题,限制了燃料电池的进一步发展。开发储量丰富、成本低廉且性能优异的非Pt体系氧还原(ORR)催化剂是降低燃料电池成本,促进其大规模应用的有效途径。对此,结合近10年来国内外研究成果,系统介绍了当前各类非Pt体系ORR催化剂的研究进展,包括非贵金属基以及非金属基催化剂。同时,针对各类催化剂的优点、不足及改性策略进行了归纳与总结,并对未来ORR电催化剂的发展提出挑战、做出展望。

镍氮掺杂石墨炔用作高效氧还原电催化剂
惠连成, 庄鉴行, 肖顺, 李美平, 靳梦圆, 吕青
应用化学    2023, 40 (8): 1205-1213.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.230120
摘要174)   HTML6)    PDF (4751KB)(237)   

氧还原反应是燃料电池中至关重要的一环。常规的氧还原反应催化剂是贵金属铂,但鉴于铂的高成本,研究者希望寻找一种低成本的替代催化剂,它更便宜并且具有相当于铂的催化效果。在前期研究中,已经对铁氮共掺杂石墨炔和钴氮共掺杂石墨炔进行了研究,它们均表现出了高效的氧还原反应活性,而与之具有相似电子结构的金属镍尚未研究。因此,此工作以氢取代石墨炔为基底,设计并合成了多种镍氮掺杂的石墨炔电催化剂,并进行了氧还原电化学测试,其中,镍质量分数2%并加入三聚氰胺进行烧制的镍氮掺杂石墨炔催化剂表现出最佳的氧还原电催化性能。对催化剂进行了一系列的物理表征: X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM),进一步分析了其结构和形貌。从物理表征及电化学测试结果可以看出,氮原子是构建催化活性位点的关键,而镍原子在提高催化剂性能方面起着至关重要的作用,氮和镍的协同作用使得镍氮掺杂石墨炔催化剂表现出优异的催化性能,这使其具有良好的应用前景。

基于水通道蛋白设计的人工水通道研究进展
程道侦, 王真然, 上官华媛
应用化学    2023, 40 (9): 1245-1257.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.230025
摘要150)   HTML8)    PDF (3712KB)(234)   

水通道蛋白(AQPs)对水分子具有高选择性和渗透性,是介导水分子转运的膜蛋白。人工水通道一般由各种有机或无机材料(如碳材料、有机化合物以及多肽等)组装而成,旨在模仿天然水通道蛋白的结构和功能。本文介绍了天然、生物启发及合成水通道的种类、结构及其渗透机理,并比较了单分子、超分子及碳纳米材料等人工水通道在近20年间的研究进展。详细地阐述了不同的人工水通道材料特性对结构和功能的影响,并重点剖析了人工水通道的不足以及开发新型人工水通道面临的挑战,最后展望了人工水通道的未来前景。

《氢能源与燃料电池》专辑序言
葛君杰
应用化学    2023, 40 (8): 1061-1062.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.230213
摘要209)   HTML22)    PDF (238KB)(218)   
以粉煤灰为原料制备ZSM-5沸石分子筛及其储氢性能
苗聪慧, 迪丽努尔·艾力, 廖正坤, 鲁景山, 刘清华, 李江圆, 艾沙·努拉洪
应用化学    2023, 40 (7): 995-1003.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.220331
摘要145)   HTML8)    PDF (4705KB)(216)   

近年来,随着国内燃煤发电量的持续增长,作为燃煤电厂最主要的固体废弃物,粉煤灰的排放量也随着燃煤消耗的增长而急剧增加,引发了严峻的社会和环境问题。粉煤灰中的铝和硅元素含量很高,具有极高的提取价值。本文先对粉煤灰进行酸处理,除去粉煤灰中碱金属元素,提高硅铝比,之后采用水热合成法直接合成了高结晶度的ZSM-5沸石分子筛,此外还在水热合成时加入一定比例正硅酸乙酯(TEOS)后制备高硅铝比ZSM-5沸石分子筛,对二者在结构、结晶度和储氢性能方面进行了研究。结果表明,加TEOS后的ZSM-5的储氢性能比没有加TEOS的储氢量高,储氢量从0.584%增加到0.846%。

运动鞋用橡塑材料的研究进展
刘三荣, 刘超, 赵卿波, 赵洪福, 毕吉福
应用化学    2023, 40 (10): 1376-1395.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.230074
摘要169)   HTML13)    PDF (3641KB)(212)   

橡塑材料在运动鞋制造过程中被普遍应用,总结了运动鞋制造过程中天然橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、顺丁橡胶、再生橡胶、聚氯乙烯、聚烯烃弹性体、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯弹性体、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚氨酯和嵌段聚醚酰胺树脂等橡塑材料的基本性能。分类别综述了相关橡塑材料近年的研究进展。 指出未来运动鞋用橡塑材料将向着轻量化、功能化、智能化和环保化的方向发展。

芳纶改性聚合物基纳米复合皮革涂饰剂的制备和性能
杨林, 潘卉, 郜定峰, 王晓冬
应用化学    2023, 40 (5): 708-719.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.220337
摘要161)   HTML5)    PDF (2180KB)(212)   

以甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酸(AA)和丙烯酰胺(AM)为共聚单体,通过水乳液聚合制备一种四元共聚物(PBMAA)乳液并自然干燥成膜,然后对芳纶Kevlar-1313(K-1313)共聚物进行改性,得到改性共聚物(K-PBMAA),并优化其添加比例以期提高涂饰膜的强度和耐磨损性能。将制备的实心纳米二氧化硅(记为S-SiO2)和中空纳米二氧化硅(记为H-SiO2)分别添加到K-PBMAA中制备纳米复合皮革涂饰剂(记为S-SiO2/K-PMBAA和H-SiO2/K-PMBAA)并用于绵羊皮的涂饰,发现K-1313和纳米SiO2的同时引入使得复合涂膜的最大热分解温度由404 ℃提升至411 ℃,力学性能由4.03 MPa提高到8.67 MPa。

蒸气辅助合成PCN-6(M)双金属有机框架材料及其CH 4和CO 2吸附性能
元宁, 马洁, 张晋玲, 张建胜
应用化学    2023, 40 (6): 896-903.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.220341
摘要146)   HTML2)    PDF (3057KB)(211)   

以PCN-6(Cu3TATB2)为母体材料,Co、Fe、Mn、Zn和Ni为第2种金属,将蒸气辅助法应用于双金属有机框架材料(MOFs)的合成中,并成功制备出PCN-6(M)(M=Co/Fe/Mn/Zn/Ni)系列双金属材料,采用粉末X射线衍射仪(PXRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-OES)和气体吸附等技术手段对合成的材料进行了结构、形貌、组成和性能的表征,结果表明制备的PCN-6(M)系列双金属材料的PXRD衍射峰和形貌与母体材料PCN-6一致,交换的金属在材料中分布均匀,交换量(质量分数)分别为Co:12.1%,Fe:22.0%,Mn:16.1%,Zn:17.5%,Ni:16.8%,远高于相同条件下溶剂热法的金属交换量(5%左右),在气体吸附性能方面,PCN-6(Zn)、PCN-6(Ni)和PCN-6(Co)这3种双金属材料对CH4和CO2的吸附能力优于母体材料,理想吸附溶液理论(IAST)计算表明,PCN-6(Fe)对CO2/CH4的吸附选择性优于母体材料。通过蒸气辅助法制备双金属MOFs材料,可以提高金属的交换量并改变MOFs材料对不同气体分子的亲合力,进而提高材料对气体的吸附性能和选择性。蒸气辅助法为双金属MOFs材料的制备提供了新的思路,且有望用应于其它材料的制备中。

环氧树脂中磷系阻燃剂协效体系的研究进展
范鹏辉, 刘杰, 娄生辉, 唐涛
应用化学    2023, 40 (5): 653-665.   DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.220311
摘要190)   HTML5)    PDF (4271KB)(207)   

近年来,出于环保等方面的考虑,一些卤系阻燃剂被逐渐淘汰,磷系阻燃剂作为卤系阻燃剂的替代品备受关注。然而,高效的磷系阻燃剂通常会在提高阻燃性能的同时产生更多的烟雾,因此需要与协效剂搭配使用。本文介绍了磷系阻燃剂在环氧树脂中的阻燃机理,综述了环氧树脂中磷系阻燃剂的协效体系的研究进展,包括无机协效剂、有机协效剂及有机-无机杂化协效剂等,并对环氧树脂体系中磷系阻燃剂的协效体系的未来发展趋势进行了展望。