元素化学课堂教学的设计：碳的结构与性能及其应用

以"碳的结构与性能及其应用"为例说明元素化学课堂教学中的方法,引导学生在复习碳元素的结构与性质的基础上,组织学生开展课堂讨论,引导学生对不断涌现的新型碳材料的关注和兴趣。同时,分组讨论碳氧化物的结构与化学性质之间关系及其有效利用,即模拟光合作用实现CO2的光催化还原和基于费托合成实现CO为原料制备燃料,鼓励和推进学生开展碳材料及其应用的本科生科研训练,实现课堂知识与科学研究衔接。     

诺贝尔奖宠儿——碳元素的前世今生

碳元素历史悠久,与现代人类社会联系紧密,对人类未来意义重大,多次斩获诺贝尔奖。在揭开碳元素的发现史之后,介绍了活性炭、碳纤维、玻璃碳等无定形碳以及热解炭等过渡碳的重要作用。此外,晶形碳的经典同素异形体--C60富勒烯、碳纳米管、石墨烯的独特结构造就了其在纳米材料领域的非凡用途;新型同素异形体的合成、发现与应用更是碳元素研究领域的热点。     

发光碳量子点的合成及应用

碳元素是地球上所有已知生命的基础.由于其具有多样的电子轨道特性(sp、sp²、sp³),因此形成许多结构和性质奇特的物质.碳量子点是2004年发现的一种新型碳材料,相对于传统的半导体量子点和有机染料,这位碳家族中的新成员不仅保持了碳材料毒性小、生物相容性好等优点,而且还拥有发光范围可调、双光子吸收截面大、光稳定性好、无光闪烁、易于功能化、价廉、易大规模合成等无可比拟的优势.虽然在某些性能方面,稀土荧光纳米颗粒可以与之媲美,但是稀土元素昂贵的价格极大地限制了其在实际生产中的应用.因此,对碳量子点这一新兴领域的研究必将对材料科学的发展产生重大影响,它也会为碳家族赢得更多的荣耀.本论文的主要工作是建立了一步合成高荧光量子效率碳量子点的合成方法;对碳量子点的表面进行功能化;制备了碳量子点薄膜、块体和流体材料。     

以生物质为前驱体合成的碳材料在电化学中的应用

碳元素是自然界中存在的与人类最密切相关、最重要的元素之一。近年来,碳纳米技术的研究相当活跃,多种多样(针状、棒状、桶状等)的碳晶体层出不穷。合成的碳材料中主要有碳纳米管、石墨烯、碳纤维、碳球等。由于碳材料的高比表面积、高稳定性以及良好的导电性,使其在电化学中有广泛的应用。相比于传统的碳材料方法,直接用生物质为前驱体合成碳材料由于成本廉价、合成方法绿色简便,从而更易于大规模工业化生产。同时,用生物质合成碳材料时,会原位引入氮磷等杂原子,对碳材料的性能将产生很大的影响。生物质基碳材料以其优越的性能在燃料电池、超级电容器、锂离子电池等领域有着广阔的应用前景,成为很多金属材料的有效替代品。本文综述了以生物质为前驱体合成的碳材料在电化学中的应用。     

高频燃烧-红外吸收法同时测定铬矿石中碳和硫含量的研究

提出了高频红外碳硫仪测定铬矿中的碳和硫含量的方法,确定了测定时助熔剂种类、配比及加入量的选择,采用有证标准物质制定方法的检测曲线,方法的检出限碳元素0.0020% 、硫元素0.00012%,方法的回收率碳98-100%、硫99-107%,测定值的相对标准偏差碳小于1.48%、硫小于2.11%,方法用于铬矿硫含量的分析结果与现有的国标方法GB/T 24224-2009测定值一致。填补无铬矿中碳元素检测方法的空白。     

松木-聚氯乙烯复合材料催化热解特性的研究

通过热重法研究了松木与聚氯乙烯复合材料的催化热解特性,结果表明聚氯乙烯脱氯阶段与松木的纤维素、半纤维素热分解阶段温度区间重合,二者共热解时存在协同效应,并且HCl的释放对纤维素的脱水反应能够产生催化作用,HCl释放也对木质素的热分解及碳化反应有着明显的催化作用,导致二者共热解制备的碳化物产率提高,约为29.61%。并且利用元素分析仪、扫描电镜和能谱仪对成碳材料进行表征分析,结果表明成碳材料表面粗糙呈现多孔结构,其碳元素含量较高达到74.67%。     

碳基介熵材料:理论与实验

富碳型材料,包括纯碳材料的各种同素异形体、碳基骨架的稠环芳香分子、聚合物、框架材料等,已成为当今材料领域最重要的研究领域之一.在这些研究当中,很大一部分工作都是研究材料本身的结构与性质,而忽略了这些材料之间的内在联系.课本中的很多概念,如同分异构体、同素异形体和拓扑缺陷,已经无法用于深入理解种类和数量繁多的富碳型材料之间的构效关系.这就使得通过改变已知材料的有限结构来调控材料的性质变得工作重复而繁重,且基础理解受限于研究个体上.作者将从材料"熵"的概念入手,尝试理解富碳型材料之间熵的相对高低,并建议基于"介熵"的认识开发新型富碳型材料、开发新型介熵富碳型材料的全新性质.基于对具体的不同的新型富碳型材料的讨论,将"介熵"这一概念引入到同素异形体、同分异构体以及广泛存在于碳材料中的拓扑缺陷的理解上.类似富碳型材料的关系不再模糊地停留在几何结构层面上,为今后介熵富碳型材料及其他介熵材料的开发提供参考.     

生命的基础元素:碳的认知、生理功能和医学应用

碳元素是人类最早发现和利用的元素之一，也是组成生命的重要基础元素。在人体内碳主要以糖类、蛋白质、脂类等有机物的形式存在，还有部分以无机盐的形式存在，主要是碳酸氢盐缓冲系统，这些含碳化合物在机体内发挥着重要的生理功能。碳材料可作为人工组织、器官植入材料、药物或基因载体、生物成像剂、生物传感器等，在医学领域为人类疾病的病因探究、诊断和治疗等提供了新的方案。     

气相色谱法测定平衡催化裂化催化剂中碳元素含量

石油催化裂化反应中生成附着在催化剂表面的碳的单质或化合物会隔绝石油与催化剂的接触，从而使催化剂的选择性、活性降低．对平衡催化裂化催化剂中碳元素含量进行测定，可以有效地指导炼油厂的生产．通过对准确性、重复性的考察，表明燃烧和色谱测定法是平衡催化裂化催化剂中碳元素含量测定的有效方法之一．     

多孔碳材料的研究进展

多孔碳材料具有高的比表面积、可调控的物理化学性质、价廉易得等优点,在能源存储和转换、催化、吸附分离等领域展现出了巨大的应用前景.多孔碳材料的制备方法和前驱体的选择直接决定了其性能及使用范围.聚合物结构丰富,通过碳化不同结构的聚合物制备多孔碳材料是目前多孔碳材料的研究热点之一.本文详细综述了目前多孔碳材料的主要制备方法以及聚合物作为碳前驱体,其结构与多孔碳材料结构与性能之间的构效关系.最后,对多孔碳材料的未来发展方向做了进一步的展望.     

从零维到三维的碳范式:碳单质概念的新发展

自18世纪石墨与金刚石的组成被确定为碳元素后,碳单质概念初步形成。然而,20世纪末期,包括C₆₀在内的富勒烯一族的发现突破了人们对碳单质的认识。随后,碳纳米管、石墨烯以及人工合成的T-碳的出现,重新诠释了碳单质的概念。碳单质的新发现,建立了从零维到三维的碳范式,掀开了对“碳单质”研究和应用的新篇章。     

纳米碳材料非金属催化的研究进展

纳米碳材料直接作为催化剂的非金属碳催化是目前材料科学与催化领域的前沿方向之一.相对于传统金属催化剂,纳米碳材料催化剂具有高效环保、低能耗、耐腐蚀等优点.在烃类转化、化学品合成、能源催化等领域表现出优异的催化性能和发展潜力.综述了近年来纳米碳非金属催化研究的最新进展,主要包括新型纳米碳材料的表面性质、催化特性、反应机理和宏观制备等关键问题,并对纳米碳催化存在的挑战和前景进行了展望.     

固体碳的一种新形态——富勒烯

一富勒烯(Fullerene)的发现人类对碳元素的研究和应用亘古至今,源远流长。人们熟知碳有两种同素异形体——石墨和金刚石。直到80年代中期,发现了富勒烯碳原子簇,尤其是近年来,对富勒烯的结构、性质深入广泛地研究,确认碳元素还存在着第三种晶体形态,已是顺理成章了。碳原子簇的研究始于天体物理学家对宇宙尘埃形成的兴趣,为了模拟星际空间及恒星附近碳原子簇的形成过程,早在1942年O Hahn等用质谱法证实了原子簇C_n(n<15)的存在。1984年Rohlfing等用质谱仪研究在超声氦气流中以激光蒸发石墨所得产物时,发现碳可以形成n<200的C_n原子簇。当n>40时,簇中碳原子教仅为偶数,并且还发现C_(60)的质谱峰明显高     

元素分析仪-稳定同位素比值质谱仪测定胶乳总固形物碳含量及其稳定碳同位素

应用元素分析仪和稳定同位素比值质谱仪(EA-IRMS)联用技术测定了胶乳总固形物碳含量及其碳同位素比值δ~(13)C。将所采集的新鲜胶乳预先制成胶片,称取(0.500±0.100)mg样品,按EA仪器工作条件对其碳含量进行测定。分别用碳元素基准物质(尿素、天门冬氨酸、葡萄糖、蔗糖),在EA工作条件下测其碳元素,以碳质量为横坐标,CO_2峰面积为纵坐标制得标准曲线,结果表明其线性关系良好。对EA-IRMS系统作了稳定性和线性试验,前者达到小于0.1‰的要求,后者则满足同类仪器小于0.06‰·V~(-1)的要求。此外,还对Craig校正所得样品及3种CRMs的初始校正值作进一步校准的3种校准方法作了比较,结果表明:3种方法中回归法准确度最好,适用于不同性质、不同碳同位素组成的样品;而截距法只能用于碳同位素组成与参考气相近的样品的测量数据的校准;原始回归法则不能有效地消除测定过程中~(17)O的影响和样品燃烧过程中可能存在的同位素分馏的影响而不能用于结果校准。测得胶乳样品的总固形物碳质量分数为81.83%,δ~(13)C_(s-PDB)~M(PDB为国际标准拟箭石化石)为-26.70‰(回归法校准值)。     

纳米碳分子——合成化学的魅力

碳材料的发展极大地推动了人类科技的进步。碳材料通过碳原子之间不同的键合方式、结构和排列，使其具有丰富的性质，并且更多新型碳材料还不断地被发现或合成出来。作为新型碳材料的纳米碳分子由于其本身所拥有的潜在优良性质，在有机电子学、材料科学如生物材料等领域具有广阔的应用前景，因此被誉为是未来最有开发前景的材料。在过去的四十年里，新型纳米碳分子的发现和创造已彻底改变了碳材料的格局，打开了一扇通往全新科学领域的大门。本文重点介绍了近年来具有新颖拓扑结构的纳米碳分子的结构特征以及如何通过有机合成的手段对其进行精准构筑。     

碳纳米材料及其在多相催化中的应用

碳纳米材料（包括零维、一维、二维碳纳米材料以及碳纳米孔材料）是一类新型的催化剂或催化剂载体材料,在氧化脱氢、选择加氢、合成氨、氨分解制氢以及燃料电池等多相催化领域具有广阔的应用前景。本文综述了近年来新型碳纳米材料在多相催化领域中的应用研究进展,介绍了这类催化材料的制备方法,重点阐述了碳载体的微/介观结构、掺杂、电子性质、表面性质、限域效应等对所担载的催化活性组分的分散,对反应物的扩散以及对催化反应的活性和选择性等方面的影响。     

生物质固体成型燃料热值和碳元素预测模型的建立

建立生物质固体成型燃料热值和碳元素预测模型。利用秸秆类生物质固体成型燃料的测试数据,以工业分析中的水分、灰分、挥发分和固定碳含量指标为4个自变量,分别以低位热值、高位热值和碳元素分析为因变量,通过多元线性回归模型(MLR)方法建立多元线性回归预测模型。内部检验和外部检验说明3组模型在应用域范围内均具有理想的预测能力,拟合效果良好,其中高位热值预测模型的R^2和R^2_(prep)分别为0.900和0.730,与已有研究相比,相对残差范围减小为–2.59%~2.26%,可为工业用途的生物质固体成型燃料的热值和碳元素分析快速做出反映。     

烯碳材料改性有机高性能纤维：制备、性能及应用

有机高性能纤维是全球化纤工业的重要发展方向之一。提升现有纤维力学性能的同时研发新型结构功能一体化的纤维对提升我国在航天航空等领域的国际地位具有重要意义。以石墨烯和碳纳米管为代表的烯碳材料具备优异的力、电、热学等性能,可用于改性传统有机高性能纤维。通过制备不同物化性质的烯碳材料并设计合理的改性方式,可将烯碳材料优异的性能传递到传统纤维中,形成具备更高力、电、热学等性能的烯碳材料改性有机高性能纤维。本文首先综述了烯碳材料改性有机高性能纤维的制备方式,包括烯碳材料的分散与功能化、烯碳材料对有机高性能纤维的改性方法,阐述了烯碳材料改性有机高性能纤维的力、电、热学等性能以及烯碳材料的增强机理,进而总结了烯碳材料改性有机高性能纤维的应用,并对其现存的挑战和未来的发展做出展望。     

碳薄膜电极材料在电分析化学中的应用*

由于具有一系列的优点,碳材料被广泛地应用于电分析化学。新型碳电极材料的开发及其性质研究对电分析化学的发展起着重要的推动作用。最近文献报道了一些制备新型碳薄膜电极材料的方法,因为制备方法不同,这些碳薄膜材料的电化学性质如电位窗、稳定性、导电性也显著不同。人们对电位窗宽、背景电流低、稳定性高、表面不易被电极产物钝化的碳薄膜电极材料的研究非常活跃。本文综述了采用不同方法制备的一些碳薄膜电极材料如硼掺杂的金刚石薄膜、无定形碳和纳米晶体碳薄膜材料等在电分析化学中应用。     

基于碳点的发光材料在潜在手印显现中的应用

遗留在犯罪现场的肉眼不可见的潜在手印是一类重要的痕迹物证,检验鉴定前需要使用一定技术手段将其显现出来。近年来,一些新材料和新技术的引入为手印显现技术的革新注入了新活力,其中稀土发光材料、量子点、荧光金属纳米簇等发光材料在该领域展现出极大潜力。碳点作为具有良好光致发光性能的新型纳米材料,近来逐渐引起了手印显现领域研究人员的广泛关注。本文综述了两类基于碳点材料的手印显现技术国内外研究进展,分别是液体分散碳点用于手印显现和固态发光碳点用于手印显现。具体来说,液体分散碳点显现手印的原理主要基于传统小微粒悬浮液机理或一些特殊效应(咖啡环效应、界面偏析效应);用于手印显现的固态发光碳点包括固态碳点粉末和固态碳点复合粉末两类,合成这些材料时研究人员采用了不同的策略。最后,从三个方面分析了碳点在手印显现应用中面临的问题,即碳点物理形貌和表面性质、碳点光致发光性质以及碳点显现过程与化学生物分析兼容性,并就解决问题的可能途径提出了展望。