表面化学与模型催化的研究 chen project 1,2 and 3
化学系介绍 (2)
化学系教授简介（按姓氏笔画排序）丁传凡(ChuanFan Ding)，1962年生，复旦大学博士。
自90年起,先后任中国科学院化学研究所助理研究员和副研究员，日本东京大学访问学者，美国纽约州卫生部健康研究中心研究员，美国太平洋西北国家实验室和美国华盛顿州立大学博士后，加拿大维多利亚大学博士后和加拿大不列颠哥伦比亚大学化学系研究员。
03年应聘任复旦大学化学系教授。
主要研究方向为质谱分析方法和仪器；气相蛋白质分子的构型和折叠动力学；分子和离子的激光化学。
孔继烈(Jilie Kong)，1964年生，1993年于复旦大学毕业获博士学位。
1995年聘为复旦大学化学系副教授，1996-1998分别在美国肯州路易威尔大学和康州州立大学博士后。
1999年起为复旦大学化学系教授，2001 年聘为博士生导师。
先后主持国家“863“项目、“973“子课题、基金委重点及面上项目、教育部人才项目及上海市科委专项等多项课题研究，研究领域及兴趣包括功能光电功能材料及器件、生物分子光电化学分析、电化学生物传感器、芯片微分析系统、中草药及海洋药物分析，生命分析与疾病诊断新方法和光电化学及光电器件。
王文宁(Wenning Wang)，1996年毕业于复旦大学化学系获得理学学位。
复旦大学化学系教授，复旦大学生物医学研究院兼职PI。
1995年12月-1996年3月于日本分子科学研究所从事博士后研究。
2002年2月-2003年8月于香港科技大学生物化学系任访问学者。
研究领域为结构生物学及计算生物学，主要包括神经系统信号传导和细胞极性的分子及结构基础，膜蛋白的构像变化动力学及生物功能等。
王全瑞(Quanrui Wang)，1963年生。
德国康斯坦茨（KONSTANZ）大学化学系博士。
1994年北京大学化学与分子工程学院博士后。
1996年于复旦大学化学系任教，1997年5月晋升为副教授，2002年晋升为教授，2003年任博士生导师。
先后承担国家自然科学基金、教育部骨干教师资助计划、上海市科委重点科技攻关、国内外科研合作等研究项目，研究领域为有机合成化学，主要涉及各种生理活性物质、新型香料物质合成方法、具有特殊物理性能的有机材料合成，不对称合成，精细有机化学；物理有机化学，主要涉及分子重排反应以及相关机理研究。
表面科学研究的前沿进展
表面科学研究的前沿进展作为现代科技的重要一环，表面科学在现代材料学、能源化学、环境科学等领域中都有广泛的应用，涉及到许多行业和领域。
本文将从表面纳米科学、表面反应动力学、表面电化学、表面物理学等角度探讨表面科学研究的前沿进展。
表面纳米科学表面纳米科学是表面科学领域的重要分支之一，它涉及到纳米级别下的表面物理、化学以及电子结构等方面，具有高度的学科交叉性。
在表面纳米科学方面，国内外的研究者们在功能材料、催化剂以及纳米器件等方面取得了重要的进展。
例如，利用铂纳米颗粒修饰的氧化铝载体，能够有效催化苯胺的氧化反应，其催化效率远高于传统催化剂。
另外，表面纳米科学还包括表面增强拉曼散射技术。
利用金属纳米结构能够将分子吸附在其表面上，形成一个增强的电场区域，从而增强了分子振动光谱的强度。
通过这种方式，科学家们可以通过对表面增强拉曼散射技术的研究，有效地探测分子的结构与行为，为材料研究提供了先进的手段。
表面反应动力学表面反应动力学是研究表面成分分布以及表面化学反应机理和动力学的学科。
在表面反应动力学领域中，主要涉及到化学吸附、表面扩散、表面反应等方面，其研究成果对于深入了解化学反应机制，促进催化剂的设计以及探究物质表面性质和表面结构等都具有重要的意义。
目前，国内外的研究者们在该领域已经取得了重要的进展。
例如，利用表面反应动力学基础理论和计算方法，研究者们成功地探究了钴金合金催化酸氧化反应的机理，提出了酸处理过的钴金合金更具有活性等结论。
表面电化学表面电化学是表面科学领域重要的研究方向之一。
它主要涉及到电化学过程的理论、机制、方法与材料。
在表面电化学研究中，主要包括表面电荷分布、表面电位与电子结构、表面氧化还原反应等方面。
在表面电化学领域，广泛应用于能源转换、催化剂、生物传感等领域。
例如，在太阳能电池领域，利用表面电化学技术，国内外学者们针对纳米级别的界面结构、电荷分布和界面催化等方面进行深入研究，为太阳能电池的研究和应用提供了重要的理论基础。
Al_(2)O_(3)负载Pt基催化剂表面动态变化的谱学研究
Al_(2)O_(3)负载Pt基催化剂表面动态变化的谱学研究何念秋;郑燕萍;陈明树【期刊名称】《分子催化（中英文）》【年(卷),期】2024(38)1【摘要】明确多相催化剂表面在反应过程的动态变化对催化剂的优化、设计有重要意义.我们通过控制Pt的不同负载量制备了一系列Al_(2)O_(3)负载的Pt/Al_(2)O_(3)催化剂,利用X-射线衍射、X-光电子能谱、球差扫描电镜、CO-探针的红外光谱、低能离子散射谱、程序升温氧化和拉曼光谱等研究Pt/Al_(2)O_(3)的表面结构和反应过程中的变化,以丙烷直接脱氢(PDH)反应为探针,考察反应过程存在“诱导”期的表面动态变化,特别是表面积碳、表面形貌、活性位点等的演化.进而与其催化反应性能关联,发现Pt纳米粒子(NP)和团簇上丙烷易深度脱氢或断裂C-C键生成CH_(4)的同时形成积碳、随后失去活性;而孤立的Pt单原子位点(SAC)上不易生成积碳、是丙烯生成的关键活性位.【总页数】11页(P7-16)【作者】何念秋;郑燕萍;陈明树【作者单位】厦门大学化学化工学院固体表面物理化学国家重点实验室【正文语种】中文【中图分类】O643.32【相关文献】1.Al_(2)O_(3)晶型对Pt/Al_(2)O_(3)-Cl催化剂物化性质及其催化C_(5)/C_(6)异构化性能的影响2.载体表面性质调控Pt-Sn/γ-Al_(2)O_(3)催化剂丙烷脱氢性能3.CeO_(2)-Al_(2)O_(3)复合载体负载Ni基催化剂催化COx共甲烷化性能4.硫酸负载对Pt/SO_(4)^(2-)-(ZrO_(2)-Al_(2)O_(3))催化剂性能的影响5.Al_(2)O_(3)-TiO_(2)复合氧化物负载的钴基催化剂光热费托合成性能研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
仿生表面结构设计对液滴冷凝及收集行为的影响
第52卷第8期表面技术2023年8月SURFACE TECHNOLOGY·355·仿生表面结构设计对液滴冷凝及收集行为的影响周鹏1，胡建华1，李蓓1,2（1.武汉理工大学 材料科学与工程学院，武汉 430070;2.华中科技大学 材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉 430070）摘要：目的提高仿生表面液滴冷凝及收集效率。
方法借鉴典型生物微纳结构及表面特性，采用分子动力学方法，建立水汽冷凝演化模型，分析纳米阵列形貌、亲疏水比及楔形顶角对液滴冷凝及收集行为的影响。
结果液滴在方形阵列结构中易钉扎，不利于去除；在矩形阵列结构中具有较好的流动性，且相对方形阵列表面凝结量提升了30.8%。
随着亲疏水比θ的增加，沉积在阵列间隙的水分子数增多，钉扎效应加剧，更易形成膜状冷凝；相反地，θ越小，液滴倾向形成滴状冷凝并呈现Cassie态。
调整楔形阵列的顶角α可以有效实现液滴的定向运动。
当α为3°或6°时，楔形结构能够产生足够的Laplace压力差，驱使液滴定向运动；当α为9°或12°时，能够引导液滴在楔形结构尾端聚集，并融合成更大尺寸的液滴，凝结量相对α为0°分别提升了210.7%和193.0%，收集效率显著提高。
相比于单一的仿生表面，结合沙漠甲虫和仙人掌的耦合集水策略设计出的双重仿生结构在凝结量及最大液滴尺寸上均有明显提升，有效提高了液滴的冷凝及收集效率。
结论通过调节纳米阵列形貌和楔形顶角，并合理设置亲疏水比，可有效提高液滴冷凝及收集效率。
研究结果为强化冷凝功能的仿生表面设计提供了一定的理论指导。
关键词：仿生表面；纳米阵列；亲疏水比；楔形顶角；冷凝；定向运动；分子动力学模拟中图分类号：TG147 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)08-0355-08DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.08.030Effect of Bio-inspired Surface Structure Design on DropletCondensation and Harvesting BehaviorZHOU Peng1, HU Jian-hua1, LI Bei1,2(1. School of Materials Science and Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China;2. State Key Laboratory of Materials Processing and Die & Mould Technology, Huazhong Universityof Science and Technology, Wuhan 430070, China)ABSTRACT: Bio-inspired water harvesting surfaces present superb self-cleaning and self-propelling properties, high efficiency,收稿日期：2022-07-22；修订日期：2022-11-22Received：2022-07-22；Revised：2022-11-22基金项目：华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室开放课题研究基金（P2021-009）Fund：Open Fund Project of State Key Laboratory of Materials Processing and Die & Mould Technology, Huazhong University of Science and Technology (No. P2021-009)作者简介：周鹏，（1996—），男，硕士研究生，主攻仿生表面结构设计及其液滴收集计算模拟。
催化反应中的表面现象研究
催化反应中的表面现象研究催化反应是指通过催化剂使反应速率加快的化学反应。
在催化反应中，催化剂通常是由固体或液体材料制成的，而反应的物质通常是气相或液相的。
表面现象是催化反应中的一个重要因素，它与催化剂的物理化学性质、反应条件等因素有密切关系。
在本文中，我们将探讨催化反应中的表面现象研究。
一、表面现象的定义和影响表面现象是指催化剂与反应物分子之间的相互作用，包括物理吸附、化学吸附、热力学等方面。
催化反应的速率和选择性都受到表面现象的影响。
表面现象的性质与催化剂的比表面积有关，比表面积越大，催化剂与反应物分子之间的相互作用越强烈。
而对于液态催化剂，表面现象的研究则涉及到表面张力、分子扩散等现象。
二、表面现象的研究方法为了研究表面现象，科学家们运用了多种手段和方法，其中比较常见的有红外光谱、X射线衍射、扫描电子显微镜等。
这些方法可以帮助研究表面上的化学键、分子结构，以及催化剂表面的形貌和结构等重要参数。
三、表面现象研究在催化反应中的应用表面现象的研究为催化反应提供了重要的理论依据和实验方法。
其中一些应用包括：1. 催化剂的制备和改性表面现象的研究可以指导催化剂的设计和改性，以达到更好的催化效果。
例如，通过改变催化剂的结构和组成，可以控制不同反应物分子在催化剂表面上的吸附态，从而优化催化反应速率和选择性。
2. 新型催化剂的发现表面现象的研究还可以帮助科学家们发现新型的催化剂。
例如，运用红外光谱对催化剂表面上的化学键进行研究，可以发现某些催化剂上新颖的键和化学反应机制，从而推动新型催化剂的发现和开发。
3. 催化反应机理的研究表面现象的研究对催化反应机理的理解也有着重要的意义。
通过表面光谱学等手段，科学家们可以观察催化剂表面上反应物分子的吸附和解离过程，推断出反应机理和关键步骤，从而优化催化剂结构，提高反应速率和选择性。
四、总结催化反应中的表面现象研究是一项非常重要的研究领域，其涉及到催化剂的结构、反应物分子的吸附和反应机理等多方面内容。
PEMFC催化层反应机理与动力学研究
adsorption/desorption reactions of hydrogen and oxide via surface diffusion in the catalyst layer. However, they can not contribute to the electrochemical oxidation of hydrogen in low overpotentials. The obvious surface diffusion of dissociatively adsorbed intermediates in hydrogen oxidation and oxygen reduction in catalyst layer can only be observed in high overpotential region. The effects of absorbed surface oxide on oxygen reduction is investigated by the comparing electrochemical behaviors of normal “Pt/C+Nafion” catalyst layer and the
I
Abstract
Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) holds great promise in powering the electric vehicles due to its relatively high power density, low operation temperature and essentially zero emission. Currently, one of the major efforts in developing PEMFC is to increase the utilization of Pt in the catalyst layer so that the cost of PEMFC can be lowered. To increase the utilization of Pt requires a deep understanding on the electrochemical reactions and processes involved in the catalyst layer. So far, the studies of fuel cells reactions (e.g., oxygen reduction reaction and hydrogen oxidation reaction) under real PEMFC catalyst layer and well-defined electrochemical conditions have been very rare. In this thesis, a three-electrode electrochemical cell based on a PEMFC single cell is established, which allows single fuel cell reactions to be studied in real catalyst layer. With this cell, the effects of surface diffusion of adsorbed species or intermediate on reactions of upd adsorption of hydrogen and oxygen, of hydrogen oxidation and of oxygen reduction in PEMFC catalyst layer are investigated. By introducing a layer of Pt/C between the normal “Pt/C+Nafion” catalyst layer and the carbon paper gas diffusion layer, a dual-catalyst-layer working electrode is formed. Such dual-catalyst-layer electrode, the normal single “Pt/C+Nafion” catalyst layer, and a single Pt/C catalyst layer are used respectively as working electrodes to constitute the above mentioned PEMFC electrochemical cell and their
材料表面的多尺度建模和分析
材料表面的多尺度建模和分析材料科学作为一个交叉学科，包含物理学、化学、材料力学等多个领域。
其中，材料表面的多尺度建模和分析是一个重要的研究方向。
本文将介绍材料表面的多尺度建模和分析的背景、相关理论等。
1.背景随着科技的不断发展和人类文明的进步，材料的种类和数量也在不断增加。
其中，材料表面的性质和结构对其整体性能有着至关重要的影响。
例如，光电器件的高效转换、汽车表面的防腐蚀和耐磨性等，都离不开对材料表面的深入研究。
然而，材料表面的多尺度结构和复杂性对其研究带来了一定的困难。
传统的研究方法往往只能得到一些表面性质的大致描述，而无法深入分析其内部结构和运动机制。
2.相关理论当前，材料表面的多尺度建模和分析已成为材料科学研究的重要领域之一。
常见的理论和方法包括：1）分子动力学方法分子动力学方法是一种基于分子运动原理的模拟方法，能够模拟物质的微观结构和运动。
利用此方法，可以对材料表面的结构和性质进行深入分析。
例如，利用分子动力学方法可以模拟表面的晶体结构、界面化学反应以及表面缺陷的形成和演化过程。
2）量子力学方法量子力学方法是一种描绘物质微观状态的理论方法，能够精确描述原子和分子之间的相互作用和物理性质。
利用这一方法，可以研究表面的原子排列、电子态和分子反应等方面的性质。
例如，利用量子力学方法可以模拟表面化学反应的动力学过程。
3）原子力显微镜技术原子力显微镜技术是一种高分辨率表面成像技术，能够直接观察材料表面的原子排列和结构特征。
通过此技术，可以研究表面粗糙度、晶格缺陷和表面化学反应等方面的性质。
例如，利用原子力显微镜可以观察表面氧化层的形态和厚度变化等。
3.应用前景材料表面的多尺度建模和分析具有广泛的应用前景。
例如，可以应用于材料的设计和开发、表面加工工艺的优化和改进、环境污染和生物医学领域等诸多领域。
目前，在太阳能电池、光催化材料、燃料电池、生物传感器等方面已经得到了广泛应用。
总之，“多尺度”是材料表面研究的重要特点之一。
介孔氧化铝及其前体的晶体结构与表面化学的研究进展
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
反应物途径的变化、机理的一个侧面 一种本征性(Eigen)的研究方法
从静态到动态
表面信息原位表征－谱学等 表面结构－TEM、SEM、STM
催化剂
反应物
黑箱
动态过程
产物
长期以来，催化剂的选择和配制主要依靠实验筛选，因 此被认为是一种技艺而不是科学。主要是因为大多数催化活 性位和反应机理仍未被探明，而被人们称为“黑箱”！
光谱选率
Nitric Oxide (NO) adsorption on a Pt Surface
高分辨电子能量损失谱
(High-Resolution Electron Energy Loss Spectroscopy)
工作原理
优点：高灵敏度、能测到很低波数 避开红外选择规律
高分辨电子能量损失谱
原位催化反应池
Chen & Goodman, Phys. Rev. B 69 (2004) 155404; Surf. Sci. 600 (2006) L255.
模型氧化物负载的金属催化剂
e.g. TiO2
氧化物单晶
TiO2(110)
50 nm
Metal Clusters 1.0-50 nm
氧化物单晶
TiO2(110) + 0.25 Au
俄歇电子能谱
Auger Electron Spectroscopy (AES, Augerห้องสมุดไป่ตู้ 工作原理
Vacuum level 能量参考点 俄歇电子
1-20keV
Ek = EK – EL1 – EL23
AES深度分析
Auger Depth Profiling
/surfaces/scc/scat7_5.htm
原位谱学表征 (IR, Raman)
研究方向
模型催化剂表面上C1和轻质烃活化/转 化反应机理的研究 新材料的催化性能及其反应机理研究
汽车尾气/空气的净化
纳米(膜)催化剂的研制
太阳能的利用 光催化新材料的研发
氨合成反应机理的研究
相关成果
氧化物膜 Mo(112)-(8x2)-TiOx的制备
Start from a SiO2(1ML)/Mo(112) to get better quality of the film
TiO2/SiO2/Mo(112)→TiO2-SiO2/Mo(112) →SiO2/TiOx/Mo(112) →TiOx/Mo(112)
Chen, Goodman, Surf. Sci. 574 (2005) 259.
Deposit ~1 ML Ti, following subsequent oxidation at 800 K in 5x10-8 Torr O2, annealing at 1200 K and 1400 K.
Wavenumber (cm-1)
金的助催化作用机制
1. 隔离表面Pd原子形成孤立Pd原子活性中心； 2. 削弱CO的吸附，从而增加活性，因CO是反 应的一种中间物或产物； 3. 削弱乙烯的吸附、并抑制乙烯的深度分解， 而提高产物选择性，进而提高活性。
Science 310 (2005) 291. Catal. Today, 117(2006)37. Catal. Lett. 106 (2006) 1. Catal. Today, 123 (2007) 77.
Welcome to Xiamen University!
暑期主要任务
暑期主要任务： 制备TiO2-SiO2复合氧化物 建立有关表征方法
主要用程序升温脱附和原位红外透射光谱表征TiO2的覆盖度及TiO2-SiO2作用
简要实验流程：
1. 制备不同负载量的TiO2/SiO2复合氧化物 • 用探针分子表征TiO2的覆盖度（程序升温脱 附和红外光谱） • 明确预处理对TiO2-SiO2作用的影响
陈 明 树 简介
1987-1991年 成都科技大学应用化学系(物理化学,学士) 1991-1994年 厦门大学化学系研究生 (催化,硕士学位,导师:张藩贤教授) 1994-1997年厦门大学化学系博士生 (催化,博士学位,导师:万惠霖教授) 1997-1999年 留校做助研/讲师(万惠霖教授课题组) 1999-2002年 日本九州大学 表面科学(获日本文部省奖学金、 工学博士学位,导师:Prof. Hiroshi Tochihara） 2002-2004年 美国德州农工大学博士后 表面化学/模型催化 (Texas A&M Univ., Prof. D. Wayne Goodman) 2004-2007年 美国德州农工大学研究员 表面化学/模型催化 2007,9 厦门大学特聘教授 主要兴趣：表面化学、催化化学、材料科学
主要参考文献
• • • • • M. S. Chen and D. W. Goodman,Topics in Catal., 44, 41-47 (2007). M. S. Chen and D. W. Goodman, Accounts of Chemical Research 39 (2006) 739-746. M. S. Chen and D. W. Goodman, Catalysis Today 111 (2006) 22-33. M. S. Chen and D. W. Goodman, Surface Science 574 (2005) 259. M. S. Chen and D. W. Goodman, Science 306 (2004) 252.
振动光谱
最有效的检测表面吸附物种的手段，常用的有 红外光谱(IR) 电子能量损失谱(Electron Energy Loss Spectroscopy) 拉曼光谱(Raman) 合频波产生光谱(Sum Frequency Generation)
Reflection-Absorption IR Spectroscopy ( RAIRS )红外镜面反射吸收谱
多相催化的复杂性：
颗粒度、多晶面、表面与 体相差异、与载体作用
反应物 中间体 产物
多种吸附位或 活性位共存
产物分布较广 表征信息复杂
难以准确判定高选择性的活性 位、活性中间体、催化反应机理
模型催化的研究
结构规整的模 型催化剂表面 结合无温度、无压 力差异的原位池 表面活性 中心均一
原位谱学 显微镜表征 结构～性能 的对应关系
3
5x5nm2
2
CO:O2 = 2:1 5 Torr @ RT
(1x1)
Au Mo Ti Mo
1
0
0
1
2
3 4 Au coverage (ML)
5
6
Chen & Goodman, Science 306 (2004) 252.
Science 306 (2004) 252. Acc. Chem. Res. 39 (2006) 739-746. J. Am. Chem. Soc. 128 (2006) 6341. Catal. Today 111 (2006) 22. Surf. Sci. 601 (2007) 632. Top. Catal., 44, 41-47 (2007). Chemical Society Review, Invited Review 2008.
50 nm
Au/TiO2 CO的催化氧化
1.4 1.2
Au/TiO2(110) 2CO + O2 2CO2
TOF (1/site s)
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
Reaction Rate, CO2 molecules per site per second
A
CO:O2 = 1:5 PT = 40 Torr T = 350 K
Pd/Au(111)和 Pd/Au(100) 催化活性比较
monomer pair 4.08Å isolated monomer P acetate acid: 4 kPa P C2H4: 10 kPa 2.6 kPa P O2:
453 K
monomer pair 4.99Å
Pd-Au(100)
Pd-Au(111)
高活性金催化剂的研制
活性位的结构
(1x3) bi-layer film
bi-layer particle
per surface Au per ‘active site’
Spherical particle
Chen and Goodman, Acc. Chem. Res. 39 (2006) 739.
多相催化与模型催化
多相催化
多相催化在能源、化工、环境及材料领域中 均具有极其重要的作用。
在确凿实验基础上阐明多相催化反应机理及其反应活 性中心对于反应条件的优化、现有催化剂的改进和新 型催化剂的设计、新路线的开发、新产品的合成等是 不可或缺的。
反应物
活性位、反应机理
产物
催化剂
多相催化反应机理的研究
检测表面状态、活性 中间体、反应产物
得到更为准确的催化活性位、活性中间体信息 更为完满诠释催化反应机理 与常规多相催化研究相比，模型催化通 常能提供更为准确并令人信服的证据
仪器设备
研究模型催化的方法和设备
LEIS XPS STM UPS MIES PES In-situ IR, SFG Raman? MS GC
低能离子散射谱
仅检测最外层的一个原子层厚度 研究表面组成、结构的最有效手段之一
Ion Scattering Spectroscopy (ISS) 1
M1+ , E0 M1+ , E M2 θ
而XPS检测的是表面 5～10 nm厚度 因此在催化领域低能离子散射谱有极其重要的意义， 因仅最外层的原子起直接催化作用。