天然疏水深共晶溶剂捕获预燃烧CO2研究(ACS Sustainable Chem. Eng 2022)

Posted · Add Comment

摘要 本文通过使用COSMO-RS方法,设计疏水性深共晶溶剂(DES)预燃烧CO2捕集溶剂。作者通过AMS软件COSMO-RS模块对CO2在各种化合物与二元溶剂中的溶解度进行了可靠性较高的估算,从筛选的38种天然衍生疏水CO2亲和的化合物中开发出新的DES,根据COSMO-RS预测的活度系数评估这些物质中两两形成DES的可能性,然后进一步预测CO2的溶解度,总共筛选出58个有希望的DES,成功地制备并表征了8个DES。 室温下,这些DES大多数密度大于1.0 g/mL,具有与癸酸-薄荷醇(1:2)类似的低挥发性,在420 K以下具有很好的热稳定性。确定其中香兰素-4-氧代异膦酮(1:3)和水杨酸甲酯-4-氧基异膦(1:1),是非常有前途的预燃烧捕获剂,与众所周知、常规使用的Selexol溶剂具有相当的CO2溶解度和粘度。 参考文献 Kun Xin, Fausto Gallucci, and Martin van Sint Annaland*, Development of Natural Hydrophobic Deep Eutectic Solvents for Precombustion CO2 Capture, ACS Sustainable Chem. Eng. 2022, DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c05090

多氧钒酸盐中成分驱动的原型动力学(Chem. Sci. 2022)

Posted · Add Comment

概要 在计算质谱学中,人们经常需要解决将质谱信号与可行且化学上合理的结构相关联的问题。尽管这些问题在有机化学领域中通常能够得到解决,有时甚至使用简单的启发式方法,但对所有无机和纳米分子体系来说仍然是一个挑战,例如配位化合物会表现出多种键合连接方式。 在最近发表在《化学科学》上的一项工作中,剑桥大学Kondinski 等人解决了由钒、砷和氧原子制成的新的、复杂、多核无机物的质谱信号相关性问题。从组成上来说,无机分子属于球形杂多钒酸盐 (heteroPOV) 家族,这是一组众所周知的催化活性和磁响应材料。 确认质谱仪检测到的结构,最初似乎是一个无法克服的问题,正如作者在论文中仔细列举的那样,有超过 40,000 种构造可以在形式上构建出球形heteroPOV。作者决定采取不同的路线并应用系统思维,整合了关于已知结构的经验证据,并将分子内应变作为替代构型的一个因素,从而能够较快地在整个化学空间中搜寻,并迅速定位到一些可能的结构。使用 AMS软件中ADF模块优化、整理并分配,与实验观测相关联的分子结构。 总体的研究揭示了一种前所未有的结构变化:当球形heteroPOV逐渐被砷过度地取代时,整体结构将跃变为环状。 参考文献 Kondinski, M. Rasmussen, S. Mangelsen, N. Pienack,   V. Simjanoski,   C. Nather,   D. L. Stares,   C. A. Schalley, W. Bensch, Composition-driven archetype dynamics in polyoxovanadates, Chem. Sci. 13, 6397-6412 (2022)

ReaxFF:蛋白质聚集体热解产生超轻气凝胶(Materials Today 2022)

Posted · Add Comment

概要 二维(2D)石墨烯(G)和一维(1D)碳纤维(CF)集成的新型碳结构,具有优异的应用潜力,但无法直接制造这样复杂的架构,因此在很大程度上需要进一步的探索。最近普林斯顿大学Craig B. Arnold等人,将基于描述性/预测性的全原子反应分子动力学模拟(ReaxFF+蛋白质力场)的计算化学方法与实验结合起来,从多学科角度对这一问题进行了挑战性的探讨,发现了令人鼓舞的现象: 大分子蛋白质聚集体中的相互作用,为设计和制造复杂多孔材料,提供了独特的机会,且无需外部模板和昂贵的后处理。研究人员将新鲜鸡蛋中的蛋白加工成了可伸缩的、无缝连接的、具有双重孔隙度的分级G-CF气凝胶。 基于AMS(Amsterdam Modeling Suite)ReaxFF模块的模拟,准确地再现了这些结构,与实验结果一致性良好,并证明具有分层结构的多孔形态存在多种潜在应用可能性。 参考文献 S. Ozden et al., Egg protein derived ultralightweight hybrid monolithic aerogel for water purification, Materials Today 2022, DOI: 10.1016/j.mattod.2022.08.001

山东大学刘锋《ACS Appl. Mater. Interfaces》:两步热注射法制备低缺陷混合卤化物钙钛矿纳米晶

Posted · Add Comment

关键词 两步热注射;钙钛矿纳米晶;空位缺陷;蓝光LED 正文 开发高荧光量子产率(PLQY > 80%)的纯蓝光钙钛矿纳米晶具有重要的基础和现实意义,因为这些材料可以作为光发射层应用于蓝光LED。阴离子交换策略是目前获得蓝光钙钛矿纳米晶的常用方法,它使用Br盐对预合成的CsPbCl3纳米晶进行后处理,通过触发Cl–和Br–离子之间的交换获得混合卤化物蓝光纳米晶。然而,大多数阴离子交换策略得到的CsPb(Cl/Br)3纳米晶PLQY通常低于30%,意味着传统制备方法无法有效消除混合卤化物当中的非辐射复合缺陷,特别是Cl空位缺陷。 山东大学刘锋教授课题组通过分析Cl空位填充热力学原理,对传统混合卤化物纳米晶制备方法进行优化改进,设计了一种简单、高效的两步热注入方式,通过调节Br离子前驱体反应活性和反应温度,打破了Cl空位填充热力学限制,在实现阴离子交换反应的同时填补了Cl空位缺陷,制备出PLQY接近100%的蓝光CsPb(Cl/Br)3量子点。所开发的纯蓝光LED(发射峰值在~460 nm)具有4 V的低开启电压和在8 V左右的高稳定性。相关工作以“Filling Chlorine Vacancy with Bromine: A Two-Step Hot-Injection Approach Achieving Defect-Free Hybrid Halogen Perovskite Nanocrystals”为题,发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》,并被选为封面文章。 1. 两步热注射法 混合卤化物钙钛矿中的Cl-Br阴离子交换本质上是一个动力学过程,只要提供充足浓度的反应离子即可完成卤素交换反应。然而,得到的大多数混合卤化物PLQY较低,说明引入的Br–离子不能有效填补或消除Cl空位。这和Cl空位填充过程的热力学性质有关,因为Br–填充 Cl空位可以看作是PbCl6八面体的修复过程,在这个过程中Br–离子和Pb2+将形成新的化学键配位,见图1(a)。 方案1(a)阴离子交换反应和通过形成Pb-Br化学键填充Cl空位的示意图;(b)两步热注射方法合成CsPb(Cl/Br)3纳米晶的示意图。 2. Br前驱体和反应条件的优化 新的Pb-Br化学键的形成只有在其热力学壁垒被打破时才会发生,因此需要对合成参数进行额外调控,例如Br前体反应活性、反应温度等。基于此,课题组研究了一系列具有代表性的Br前驱体,包括PbBr2、GeBr2、ZnBr2、InBr3、AgBr和CuBr2,并研究了它们在120 ~ 160 ℃范围内注入到CsPbCl3纳米晶溶液的温度(图1(b))。通过评估各个反应条件下所得到的纳米晶的光学性质,确定最佳反应温度和最优的Br卤素源。 图1(a)使用AgBr制备的纳米晶的PL光谱;(b-c)使用 PbBr2、GeBr2、ZnBr2、CuBr2和InBr3制备的纳米晶PL光谱;(d-e)使用GeBr2制备的Cl/Br钙钛矿纳米晶的TEM-EDX分析;(f)使用各种Br前体所得纳米晶的XRD谱。 3. 低缺陷纳米晶的表征 如图2(a)所示,在相同PL峰位置条件下(~460 nm),采用GeBr2于160 ℃制备的CsPb(Cl/Br)3纳米晶PLQY达到98%,而其他卤化物前驱体得到的纳米晶QY普遍低于20%。但当注入温度降低到120 ℃时,GeBr2制备的样品PLQY也会下降到约60%,表明不同温度条件下Cl空位的填充情况不同,进一步支持了Cl空位填充过程是一个热力学过程,即Br前驱体反应活性和反应温度对其能量壁垒的打破起非常关键的作用。为直观展示空位缺陷,课题组采用XPS技术对纳米晶进行结合能表征。如图2(b),GeBr2制备的纳米晶XPS Pb 4f7/2谱可以很好地采用单峰拟合,约138.5 eV,对应Pb2+与卤素离子的键合状态。而PbBr2制备的纳米晶(PLQY ~1%),其XPS除了该固有的特征峰外,还包含一个由油酸铅贡献的信号(空位缺陷的一个重要特征,~138.0 eV),表明GeBr2制备的纳米晶确实有效抑制了空位的生成。 图2(a)不同Br前体和两种不同反应温度下制备的CsPb(Cl/Br)3纳米晶的PLQY;(b)为PbBr2和GeBr2制备的样品的XPS Pb 4f7/2谱图。 […]

超临界流体的不均性分布及其对反应行为的影响(JACS Au 2022)

Posted · Add Comment

研究背景 超临界流体因其特殊的性质,已经广泛应用于化学工程行业中。以热裂解反应为例,如石化炼炉,高性能燃烧容器等装置内发生的热裂解反应,往往发生在超临界流体中。已有大量实验研究报道,超临界条件下的热裂解反应在反应速率及反应产物等方面,显著差异于常压气相下的热裂解反应。然而,解释这些由于相态区别导致的反应行为差异,尚为超临界领域内的一个难题。为此,有必要从超临界流体本身存在的特殊微观流体结构出发,对其微观分布与特异反应行为的关联进行研究,为拓宽超临界流体的应用提供理论基础。 基于此,天津大学化工学院刘国柱教授团队提出了一种结合机器学习与分子动力学的模拟策略:通过集群变量驱动元动力学(CVHD)模拟超临界流体在真实工况条件下的反应过程,准确描述了超临界热裂解的特殊反应行为,并通过深度神经网络对原子局部环境进行学习,将超临界流体从原子尺度划分为“类液原子”与“类气原子”,揭示了拥有特殊局部环境的“类液原子”在超临界流体反应中的重要作用,理论性地解释了超临界反应的特殊反应行为。该研究结果对于深入探索超临界流体及相关反应具有重要的理论意义。 研究内容 首先,作者利用AMS软件ReaxFF模块中提供的集群变量驱动元动力学算法(CVHD),模拟了真实工况条件下(1000 K),气态及超临界态代表性碳氢燃料组分正癸烷的热裂解反应过程,并追踪了反应中的主要产物分布,构建了两种反应条件下的反应机理网络。相较于气态热裂解反应,超临界态下的反应中,诸如氢提取反应,双自由基加成反应等双分子反应所占比例显著提高,导致反应产物中大分子烷烃数目增加,产物烷/烯比增加,符合实验结果。 为解释超临界态热裂解反应的特殊行为,选择深度神经网络对真实气相、液相原子的局部环境进行学习,构建二元分类器,对超临界流体进行筛分。筛分结果表明,超临界流体并非均匀单相,而是由“类气原子”与“类液原子”交织共存形成的泡沫状结构。随着流体所处环境压力的改变,流体体密度发生变化,所含“类液原子”的比例也随之改变,并呈现出S型变化趋势。 图1. 超临界流体中的类气、类液原子分布(a)3 MPa; (b) 15 MPa; (c) 30 MPa 进一步地,对超临界态反应中大量增加的双分子反应进行追踪分析,发现双分子反应集中发生于“类液原子”及其近邻原子所构成的“类液区”中。后续分析发现,“类液原子”拥有与液态相似的局部环境,其较高的局部密度保证了足够的有效碰撞几率,促进了双分子反应的有效进行,并最终导致超临界态反应的特殊反应行为。 图2. 典型双分子反应的定位及原子种类划分。其中(a), (b)为反应追踪及定位;(c), (d)为类气/液原子划分结果。 小结 该工作结合机器学习与反应性分子动力学模拟,从超临界流体的微观分布特殊性出发,解释了超临界态反应的特殊反应行为。集群变量驱动元动力学算法有效地拓展了模拟时长,使真实工况下的反应模拟成为可能。深度神经网络分类器则描述了超临界流体的不均性微观分布,并确定了超临界流体中特有的“类液原子”,以及其与双分子反应之间的联系。该研究结果从微观层面完善了对于超临界态反应的了解,广泛地拓展了超临界流体及其反应的应用空间。 参考文献 Yutong Wang, and Guozhu Liu*, Inhomogeneity Effects on Reactions in Supercritical Fluids: A Computational Study on the Pyrolysis of n‑Decane, JACS Au, 2022, DOI: 10.1021/jacsau.2c00359 感谢天津大学化工学院刘国柱教授课题组博士生王宇桐同学供稿!

Super-B 作为 碱金属(Li、Na 和 K)离子电池阳极的计算研究(Journal of The Electrochemical Society 2022)

Posted · Add Comment

最近储能系统已成为未来研究的焦点。根据最近报道的super-B的特点,巴基斯坦古吉拉特大学与旁遮普大学的研究者们,正在探索碱金属(Li、Na和K)离子电池的阳极材料。吸附碱金属(Li、Na和K)浓度后,Super-B的金属行为甚至保持在最大水平。在Super-B上吸附金属离子的所有位点中,中空位点似乎是最有利位点。碱金属在Super-B上的吸附产生3718 mhA/g的最大理论容量,碱金属(Li、Na和K)修饰的Super-B的开路电压(OCV)分别为0.35、0.81和1.39V。 此外,对于Li和K沿H-T-H,计算得到的扩散势垒较低,分别为0.14 eV、0.44 eV,而对于Na沿着H-B-H位点,计算得到的扩散势垒为0.16eV。低OCV、超快扩散势垒和高比理论容量,表明新发现的Super-B是非常有前景的金属离子电池阳极候选材料。 参考文献: Dr, Muhammad Isa Khan1, Maida Anwar2, Abdul Majid2, Muhammad Shakil2 and Muhammad Rizwan, Computational Studies of Super-B as Anodes for AM (Li, Na, and K) Ion Batteries, Journal of The Electrochemical Society 2022

卤代羧酸盐作为稳定和可持续钠离子电池的有机阳极(ACS Appl. Mater. & Interfaces 2022)

Posted · Add Comment

有机材料作为钠离子电池 (NIB) 的阳极具有竞争力,因为它成本低、资源丰富、环境友好且可持续性高。美国乔治梅森大学与阿贡国家实验室的研究者们,合成了三种卤代羧酸盐基有机阳极材料,以探索卤素原子(F、Cl和Br)对NIB中羧酸盐阳极电化学性能的影响。氟化羧酸盐阳极,2,5-二氟对苯二甲酸二钠(DFTP-Na),在高比容量(212 mA H/g)、长循环寿命(300次循环)和高速率能力(高达5 A/g)方面优于其他含H、Cl和Br的羧酸盐阳极。 实验结合AMS软件第一性原理计算结果表明,DFTP中的两个F原子降低了溶解度,增强了循环稳定性,并在氧化还原反应期间与Na+相互作用,从而在NIB中形成了高容量和稳定的有机阳极材料。这项工作证明了氟化羧酸盐化合物是开发高性能有机阳极的有效途径,用于稳定和可持续的NIB。 参考文献 Jinghao HuangKachief I. E. CallenderKaiqiang QinMichael GirgisMikell PaigeZhenzhen YangAndre Z. Clayborne*Chao Luo*, Halogenated Carboxylates as Organic Anodes for Stable and Sustainable Sodium-Ion Batteries, ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, https://doi.org/10.1021/acsami.2c07383

阿斯利康:药物工艺开发中溶解度预测模型的评估(Cryst. Growth Des. 2022)

Posted · Add Comment

在合成药物工艺开发中的许多单元操作设计中,溶解度是一个重要属性,然而直接测量潜在溶剂、混合溶剂中的溶解度,有时候并不理想或实用。在制药工业中投入使用的,包括有几种预测化合物在有机溶剂中溶解度的理论模型。ETC(Enabling Technologies Consortium) 合作,需要进行溶解度模型标准测试,以便指导溶解度模型的更好使用。 阿斯利康的研究人员针对一组较为广泛的溶质-溶剂组合,包括24 种溶质和80 种溶剂、混合溶剂,对多种溶解度模型进行了评估。作为 ETC 内部共同努力的一部分,对乙酰唑胺、咖啡因、西咪替丁、桂利嗪、格列本脲、奥美拉唑、扑热息痛、吡罗昔康、利培酮和糖精进行了测量。ETC 合作参与者额外提供了的溶解度的一些内部数据,涵盖了更有限的溶剂范围。 溶解度模型的方法各不相同,包括从第一性原理模型(COSMO-RS 和 COSMO-SAC)到回归模型(R-UNIFAC 和Lovette-Amgen模型)等。作者使用不同的适应度测量,对每种模型的性能进行了广泛的评估。 尽管作者提出了几种不同的性能指标(如准确性、RMSE和MCC),但没有一种指标能够完美地捕捉模型在所有预期情况下的适用性。建议研究者评估每个指标在其预期应用中的重要性,并根据所需数据规模和应用模型的能力来平衡评估。 结果表明,溶解度模型确实可用于化学过程开发,这些模型在性能方面非常具有吸引力。通过有效的初步筛选,能够产生较小的潜在溶剂和溶剂混合物集,以便进一步筛选,而且在后期开发中,能够识别和消除二元体系协同溶解度效应的潜在影响。 从这些模型的总体趋势来看,使用的实验数据越多,总体性能改善越大。使用DSC或参考溶解度时,基于ADF-COSMO的模型通常是最准确的。R-UNIFAC模型在不同任务中的表现各不相同,只有从参考溶剂和多态性处理的选择上将它们区分开来。Lovette-Amgen模型在单溶剂系统的大多数评估中表现得异常出色(使用数据训练了该模型),但二元溶剂评估方面显著落后(数据未用于训练模型)。 参考文献 Evaluation of Predictive Solubility Models in Pharmaceutical Process Development─an Enabling Technologies Consortium Collaboration, Michael A. Lovette, Jacob Albrecht, Ravi S. Ananthula, Francesco Ricci, Rahul Sangodkar, Mansi S. Shah, and Simone Tomasi, Cryst. Growth Des. 2022, DOI: 10.1021/acs.cgd.2c00368

基于HRTEM探究多温度段煅后石油焦的微观结构特征演变及多尺度建模(Fuel 2022)

Posted · Add Comment

相关背景 煅烧是制备石墨产品的一个重要过程,煅烧后的石油焦是如锂离子电池负极、钢铁冶炼热电偶、稀土电解槽槽体和铝电解炭阳极等炭素材料的优质原料。 现有研究已表明,煅烧会使石油焦的物理和化学性质发生一系列的变化:焦体中的挥发物和水分被大量去除,导致体积收缩、密度增加;芳香烃在煅烧过程中先后经历热解、聚合和重新排列,导致导电性提高; H、O、N和S等杂质元素也可在高温下脱除,导致焦体骨架抗氧化性提高。 然而,现有的关于温度对煅烧焦的影响的研究,大多数是基于传统实验,演变规律的探究主要基于对实验结果的推测。对于不同温度段煅后焦微观结构特征的演变规律,需要通过更先进的检测方法进行深入分析。建立精确的微观模型,是进一步利用材料计算模拟方法探究微观反应机理的基础。 研究亮点 中南大学仲奇凡教授课题组基于HRTEM检测,分析了不同温度段煅后焦晶格条纹的长度、堆叠、方向和曲率的变化。发现温度在289~1873 K间,平均条纹长度、堆叠占比、45度集中分布频率和弯曲条纹占比的值分别从7.36 Å、10.26%、44.91%和58.74%变化到12.03 Å、50.63%、98.71%和36.13%。数学拟合被用来连续和定量地分析微观结构特征的变化规律。在873~1873 K的温度区间内,微观结构特征的变化规律与Logistic回归模型拟合良好。根据拟合曲线的趋势,尽管大多数微观结构特征在873 K以下经历了轻微的不良变化,但在873 K以上,微观结构特征进行了较大程度的有益演变,提高了结构有序度。此外,拟合曲线的数学方程可以可靠地计算出给定温度段下的各项特征值。 图1 基于HRTEM对多温度段煅后焦微观结构特征演变进行分析 通过HRTEM图像引导的自动化建模、AMS软件中ADF模块的结构优化和ReaxFF模块的分子动力学驰豫等方法,成功建立了煅后焦的分子尺度(约70个原子)模型、微晶尺度(3990个原子)三维模型和纳米尺度(31909个原子)三维模型。模型中的H/C比率、官能团比例、微量金属含量、真实密度和结构特征等与实际数据相似。利用ADF模块计算出煅后焦分子模型的FT-IR图谱,再利用芳香族H和脂肪族H的峰面积之比可计算出分子模型的芳香度,其值与实际检测结果相近,利用相关脚本可计算得到三维模型的XRD图谱,其特征峰位置与实际图谱基本一致。以上多方面验证证明了所建模型的合理性,这样的多尺度模型精确表征了煅后焦的微观结构,并可应用于碳材料反应过程的计算模拟研究。 参考文献 Microstructural features transformation at various temperature stages and multi-scale atomistic representations of calcined petroleum coke based on HRTEM, ZihanYou, JinXiao, QiuyunMao, XiuzhenZhang, QifanZhong, Fuel, 2022, Volume 330, 125521 感谢中南大学仲奇凡教授课题组犹子涵博士供稿!

Stone-Wales拓扑缺陷增强石墨烯/金属界面的键合与电子耦合(ACS Nano 2022)

Posted · Add Comment

摘要 缺陷对材料的功能和性能起着至关重要的作用,但经常缺乏对相关作用的理解。缺陷的浓度通常较低,使得理论研究往往较为困难,其中突出的例子是石墨烯等二维材料的拓扑缺陷。基于石墨烯的(光)电子器件的性能主要取决于接触电极的石墨烯/金属界面特性。这种界面特性,与石墨烯中普遍存在的拓扑缺陷的相关性问题,具有很大的现实意义,但目前还无法回答。 德国马尔堡-菲利普大学J. Michael Gottfried教授与吉森大学André Schirmeisen教授等课题组,将基于AMS软件BAND模块独有的周期性体系键能分解pEDA,以及描述化学键形成导致电荷转移情况的化学价自然轨道(NOCV)方法,结合分子模型系统的实验研究相结合,对Stone-Wales拓扑缺陷进行了研究。 研究表明,与常规石墨烯相比,嵌入的缺陷与铜表面之间的键合、电子转移得到显著增强。这些发现通过分子模型得到了实验证实,其中S-W缺陷以天青烯代表,理想的石墨烯结构使用其异构体芘代表。实验相互作用能、电子结构分析和吸附距离的差异,定量地证实了缺陷对键合的控制。 该研究揭示了缺陷对石墨烯/金属界面电子耦合的重要作用,并表明拓扑缺陷工程在性能控制方面的潜在应用价值。 参考文献 Topological Stone–Wales Defects Enhance Bonding and Electronic Coupling at the Graphene/Metal Interface, Benedikt P. KleinAlexander IhleStefan R. KachelLukas RuppenthalSamuel J. HallLars SattlerSebastian M. WeberJan HerritschAndrea JaegermannDaniel EbelingReinhard J. MaurerGerhard HiltRalf Tonner-ZechAndré Schirmeisen*J. Michael Gottfried*, ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.2c01952