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揭示水合离子的微观结构和幻数效应的研究
众所周知,盐放入水中会发生溶解,溶解的离子与水分子结合在一起形成的团簇称为水合离子或离子水合物。水合离子的微观结构和动力学一直是学术界争论的焦点。早在19世纪末,人们就意识到离子水合作用的存在并开始了系统的研究,最早的实验研究可以追溯到1900年德国著名物理化学家Walther Nernst的迁移实验(Transference experiments)。虽然经过了一百多年的努力,离子的水合壳层数、各个水合层中水分子的数目和构型、水合离子对水氢键结构的影响、决定水合离子输运性质的微观因素等诸多问题,至今仍没有定论。究其原因,关键在于缺乏原子尺度的实验表征手段,以及精准可靠的计算模拟方法。传统的谱学和衍射技术空间分辨能力较差,只能得到平均效应,无法探测局域环境的影响,实验数据的解释异常困难,甚至得出完全矛盾的结论,因此受到很大的限制。另一方面,由于水分子具有全量子化效应,且水分子与离子相互作用也非常微弱,这对理论计算也是巨大的挑战。图2 钠离子水合物的原子级分辨成像。从左至右,依次为五种离子水合物的原子结构图、扫描隧道显微镜图、原子力显微镜图和原子力成像模拟图。图像尺寸:1.5 nm ×1.5 nm。 为了突破实验上的瓶颈,研究人员基于扫描隧道显微镜发展了一套独特的离子操控技术,在氯化钠表面上可控的制备出了单个水合钠离子,水分子的数目精确可调,为高分辨成像创造了条件。在此基础上,他们利用之前发展起来的非侵扰式原子力显微镜成像技术,依靠及其微弱的高阶静电力,克服了针尖对弱键合水合离子的扰动并首次实现了原子级分辨表征,精确确定了其微观吸附构型(图2)。这也是水合离子的概念提出一百多年来,首次在实验中直接“看到”水合离子的原子级图像。 进一步,研究人员利用带电的针尖作为电极,控制单个水合离子在氯化钠表面上的定向输运,发现了一种有趣的幻数效应:包含有特定数目水分子的钠离子水合物具有异常高的扩散能力,迁移率比其他水合物要高1-2个量级,甚至远高于体相离子的迁移率(图3)。结合第一性原理计算和经典分子动力学模拟,他们发现这种幻数效应来源于离子水合物与表面晶格的对称性匹配程度,而且可以在很大一个温度范围内存在(包括室温)。此外,研究人员还发现这种幻数效应具有一定的普适性,适用于相当一部分盐离子体系。图3 钠离子水合物在NaCl表面输运的幻数效应。a,效果图:包含3个水分子的水合物具有异常强的扩散能力。 b,分子动力学模拟得到的不同离子水合物在225K-300K下1ns时间内扩散的均方位移。 水溶液中的离子输运研究长期以来都是基于连续介质模型,而忽略了离子与水相互作用以及离子水合物和界面相互作用的微观细节。该工作首次建立了离子水合物的微观结构和输运性质之间的直接关联,刷新了人们对于受限体系中离子输运的传统认识。该项研究的结果表明,可以通过改变表面晶格的对称性和周期性来控制受限环境或纳米流体中离子的输运,从而达到选择性增强或减弱某种离子输运能力的目的,这对很多相关的应用领域都具有重要的潜在意义,比如:离子电池、防腐蚀、电化学反应、海水淡化、生物离子通道等等。此外,该工作发展的实验技术也首次将水合相互作用的研究精度推向了原子层次,未来有望应用到更多更广泛的水合物体系,开辟全新的研究领域。 该工作得到了Nature三个不同领域审稿人的一致好评和欣赏(Overall, I enjoyed reading this manuscript),认为该工作“会马上引起理论和应用表面科学领域的广泛兴趣”(The results presented in this manuscript are of immediate interest to the communities dealing with theoretical and applied surface science),“为在纳米尺度控制表面上的水合离子输运提供了新的途径并可以拓展到其他水合体系”(This result may open a venue for controlling diffusion transport on nano-engineered crystal surfaces and it may be also extended to other hydration systems)。
北京大学 2021-04-11
长寿命磷酸盐钠离子电池正极材料
        研发团队针对NASICON型结构钠离子电池正极材料面临的瓶颈问题,通过新颖的合成方法和材料晶体结构设计理念,成功开发了具有自主知识产权的长寿命、高功率和低成本的钠离子电池及其超稳定的正极材料。材料合成方法简单,反应条件温和,不需要特殊设备,目前已完成实验室中试,具备了公斤级的制备能力。成果具有高的振实密度,可实现高体积能量密度,具有非常优秀的实用化潜力。         意向开展成果转化的前提条件:中试放大及产业化工艺开发资金支持
东北师范大学 2025-05-16
直喷超细水合CaO粉烟气脱硫
火电厂烟气脱硫技术目前国内外约有上百种工艺,但是有实际应用价值的仅十几个工艺。“炉内喷钙尾部活化” (LIFAC) 技术是芬兰在 20 世纪 80 年代发明的一项技术,其特点是初投资少,占地面积小,系统简单,运行费用低,在较低的 Ca/S 比的条件下可达中等脱硫效率 (70-80%) ,比较适合于我国现役火电机组脱硫改造。“直喷超细水合 CaO 粉烟气脱硫”技术是在 LIFAC 技术基础上进行改进,它的特点是用锅炉废水在高压下水合 CaO ,使之形成水合石灰[ Ca(OH)2 · CaO ],并在特殊的雾化方式下使之形成 10 μ左右的超细水合石灰颗粒,直接将其喷入锅炉炉膛进行脱硫。该方法炉内脱硫在 Ca/S ≈ 1.6 条件下,脱硫率达到了 78% 。预计在配水膜、布袋除尘后可以达到 85% 左右的脱硫率。可以去掉 LIFAC 的尾部活化和烟气再热系统。大大地降低了初投资。按目前价格计算投资成本约为 250 元 / 千瓦,不大于电站投资 5% , Ca/S 比< 1.6 ,达到脱硫率 70-80% 。
上海理工大学 2021-04-11
天然气水合物实验系统
天然气水合物实验系统,用于天然气水合物的生成过程检测,可以为天然气水合物生成的条件参数研究提供可靠的实验数据。测量参数包含温度、压力,光通量,操作方便,性能可靠应用实例:“天然气水合物实验系统”已用于青岛海洋地质研究所和江苏工学院。
南京工业大学 2021-04-13
浆水菌素片与浆水合生元胶囊
浆水是一种中国西北传统特色发酵食品,已有几千年的悠久历史。研究发现浆水不仅具有促进胃蛋白的分泌、降低血清胆固醇、净化胃肠作用,还能使肠道微生物保持微生态平衡,对肥胖、高血压、糖尿病、消化系统癌症的预防均具有良好地效果。 随着国民健康意识的不断增强,大众对于健康产品的品质与日俱增。益生菌因其对健康人群与亚健康人群均有的保健功能而受到了广泛的关注。益生菌制剂与其他的药物不同,它能起到―已病辅治、未病防治、无病保健‖的作用。浆水中含有大量益生菌,如乳酸菌及酵母菌等,这些
兰州大学 2021-04-14
浆水菌素片与浆水合生元胶囊
浆水是一种中国西北传统特色发酵食品,已有几千年的悠久历史。 研究发现浆水不仅具有促进胃蛋白的分泌、降低血清胆固醇、净化胃 肠作用,还能使肠道微生物保持微生态平衡,对肥胖、高血压、糖尿 病、消化系统癌症的预防均具有良好地效果。  随着国民健康意识的不断增强,大众对于健康产品的品质与日俱 增。益生菌因其对健康人群与亚健康人群均有的保健功能而受到了广 泛的关注。益生菌制剂与其他的药物不同,它能起到“已病辅治、未 病防治、无病保健”的作用。浆水中含有大量益生菌,如乳酸菌
兰州大学 2021-01-12
锂离子电池、钠离子电池
钱逸泰院士,江苏无锡人,无机化学家,中国科学院院士。1962 年毕业于山东大学化学系。1997 年当选为中国科学院院士。2005 年起为山东大学胶体与界面化学教育部重点实验室学术委员会主任。2008 年当选英国皇家化学会会士。主要研究方向包括:1、新型过渡金属氧化物,无机非金属等纳米材料制备;2、石墨烯复合材料的自组装制备及应用;3、新型纳米材料及复合纳米材料在新能源领域的应用,如锂离子电池、钠离子电池、超级电容器等。近年来,钱逸泰领衔的资源循环与清洁能源创新团队从事锂离子电池电极材料化学制备的研究,发展了纳米硅等电极材料的简单合成技术,并被全球著名期刊《Nature Materials》作为亮点研究报道。2020 年重要锂电成果有:Energy Storage Materials:MXene 骨架上非晶液态金属成核晶种实现各向同性的锂成核和生长助力无枝晶锂负极Adv. Energy Mater.:通过改变阳离子溶剂化鞘结构在水系电解液中形成固态电解质界面Energy Storage Materials:室温液态金属的界面钝化实现 5 V 锂金属电池在商业碳酸酯基电解液中的稳定循环ACS Nano:商用合金和 CO 2 制备的二维硅/碳助力柔性 Ti 3 C 2 Tx-MXene 基锂金属电池
山东大学 2021-04-13
离子泵
产品详细介绍VARIAN离子泵系品由多种离子泵、电源、选配件及附件组成,能够为所有超高真空应用提供完美的解决方案,极限压强可达10-11mbar,清洁、无油、无噪。能完美解决真空系统对工作压强、待抽气体的组成成分以及系统中超高真空获得设备的启动压强等的要求。Varian离子泵 系列产品包括 Diode(极型)、Noble Diode(惰性二极型)以及StarCell(专利的三极型)三种不同类型的离子泵,同时还提供包括Mimi Vac、Dual 和 Midi Vac 三种离子泵电源,用户可从中选择所需功率要求和接口标准的产品。具体的参数可以来电咨询。
北京东方晨景科技有限公司 2021-08-23
低温高压天然气水合物模拟合成与分解设备
针对海底天然气水合物的实际生成条件,在国内首次设计和制造了具有自主知识产权的低温高压天然气水合物模拟合成与分解设备。该成套设备由高压可视化釜体、制冷及浴槽温控系统、磁力搅拌系统、参数控制台及计算机数据采集系统、模拟天然气配气系统、天然气高压增压系统共 6个子系统组成。应用结果表明,该设备安全可靠, 能成功地应用于天然气水合物模拟合成、分解和有关测试分析,其部分结构和功能有所创新,达到国外相关部分类似产品的水平。测试内容:① 新型压力设备开发② 松软地基上压力管道沉降与热变形安全评估③ 材料微结构分析与动态力学性能测试④ 材料表面镀层粘着力与耐磨强度的划痕测试
南京工业大学 2021-04-13
注射用磷丙泊酚钠水合物的Ⅲ期临床研究
“注射用磷丙泊酚钠水合物的Ⅲ期临床研究 ” 磷丙泊酚钠(fospropofol disodium)于2008年12 月12日由美国食品药品管理局(FDA)批准上市,商品名为Luse- dra。该药是由美国Eisai公司研发,临床上用作成年患者进行诊断或治疗操作过程的镇静催眠剂,该药为静脉注射剂。 磷丙泊酚钠是丙泊酚的一种水溶性的前体药物, 该前药静脉注射给药后在体内被内皮细胞表面的碱性磷酸酶代谢产生活性药物丙泊酚,其在大脑组织内迅速达到平衡,从而发挥剂量依赖性的镇静催眠作用。Ⅰ期临床研究表明,活性代谢产物丙泊酚相比脂肪乳剂的丙泊酚可诱导产生更强效的麻醉作用。II期临床研究显示,活性代谢产物丙泊酚可有效地维持结肠镜检查术患者的镇静作用,而III期研究主要针对需要支气管镜检查和小手术的患者,评价其镇静作用。药代动力学分析表明:在小鼠模型中由前药中释放的丙泊酚相对于已上市的丙泊酚有较长的消除半衰期、较大的分布容积和较高的血浆清除率,而在健康男性志愿者中清除半衰期则相对较短。磷丙泊酚钠常见的不良反应主要有感觉异常、搔痒症,其他严重不良反应有低血压、低氧血症、呼吸抑制等。相比其他镇静催眠药物而言,当磷丙泊酚钠与其他心肌功能抑制剂(如地西泮)或麻醉性镇痛药共同给药时,可能会产生其他心肌抑制效应,因此在使用时需要密切注意患者的生命指标,确保用药的安全性。
四川大学 2016-04-14
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