耐辐照金属硫化物离子交换材料可高效去除放射性离子

核能作为一种高效、清洁的新型能源,其开发利用越来越受到人们的青睐。但核能的发展更像是一把双刃剑,人们在享受核能带来的福利的同时,也面临着放射性核燃料和裂变产物引起潜在环境污染的风险。在放射性核废液中,铀(U)是高毒性的放射性核素,具有致癌性。在非锕系高释热裂变产物中,最危险的是铯(137Cs)和锶(90Sr),其半衰期较长(137Cs,t1/2≈ 30年;90Sr,t1/2 ≈ 29年),是核废液中β 和γ 射线的主要放射源,构成了高放废物处置前1000年最主要的释热危害,且具有生物毒性。放射性铀、铯和锶等核素的有效富集、去除和回收对人类健康、环境保护和能源循环利用都具有十分重要的意义。中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室的黄小荥研究员(点击查看介绍)和冯美玲研究员(点击查看介绍)领导的研究团队长期致力于开发稳定性好、对放射性离子具有高效去除和富集能力的新型离子交换剂,在系列新型离子交换材料的设计合成、性能提升以及机理阐释方面已发表了一系列具有重要影响力的研究论文(J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 4314;J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 12578;Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 8623;J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 3967;J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 5665)。近日,该团队与美国西北大学化学系的Mercouri G. Kanatzidis教授(点击查看介绍)合作,在环境放射性污染防治方面的研究取得新进展,报道了两例分别含有质子化二甲胺和二乙胺阳离子的硫代锑酸镓化合物[Me2NH2]2[Ga2Sb2S7]•H2O(FJSM-GAS-1)和[Et2NH2]2[Ga2Sb2S7]•H2O(FJSM-GAS-2)。两种化合物具有相似的无机层结构,但因层间有机阳离子的不同,其离子交换性能有所差别。该研究进一步证实了在金属硫化物离子交换材料体系中,有机铵阳离子的类型、形状、大小对材料的离子交换性能具有重要的影响,为进一步设计合成新型放射性离子交换材料提供了有力的借鉴和思路。所报道的化合物对[UO2]2+、Cs+、Sr2+离子具有较高的离子交换容量(FJSM-GAS-1: qmU = 196 mg/g, qmCs = 164 mg/g, qmSr = 80 mg/g; FJSM-GAS-2: qmU = 144 mg/g)和快的交换动力学(FJSM-GAS-1: 5 min; FJSM-GAS-2: 15 min);在广谱的pH(2.9 – 10.5)范围内对[UO2]2+离子具有离子交换能力。特别是即使在Na+、Ca2+、HCO3-干扰离子的存在下,化合物仍然对[UO2]2+离子具有优异的选择性,分配系数KdU值最高可达6.06 × 106 mL/g,是迄今铀吸附剂中的最高值。更为重要的是,吸附的[UO2]2+离子能够通过简单、便宜的方法将其洗脱,达到回收铀的目的。这些优势结合化合物易于合成和优良的耐β、γ 射线辐照性的特点,使FJSM-GAS-1、FJSM-GAS-2在[UO2]2+、Cs+、Sr2+离子的吸附和分离方面具有潜在的应用价值。当前的研究为开发新型放射性离子交换剂提供了有力的借鉴,对放射性污染防治和核应急处理等研究具有重要意义。相关研究结果近期发表在《美国化学会志》上,第一作者为冯美玲研究员。该研究工作得到中国科技部973项目、国家自然科学基金、中科院海西研究院“春苗人才”专项和美国国家自然科学基金的大力支持。该论文作者为:Mei-Ling Feng, Debajit Sarma, Yu-Jie Gao, Xing-Hui Qi, Wei-An Li, Xiao-Ying Huang, Mercouri G. Kanatzidis原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Efficient Removal of [UO2]2+, Cs+ and Sr2+ Ions by Radiation-Resistant Gallium ThioantimonatesJ. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 11133, DOI: 10.1021/jacs.8b07457冯美玲研究员简介冯美玲,中国科学院福建物质结构研究所研究员,2007年于中国科学院福建物质结构研究所获博士学位,之后留所工作至今,2015-2016年在美国西北大学化学系做访问学者;研究领域是面向环境放射性污染防治开发新型离子交换材料,将之应用于环境中放射性污染离子的去除和富集;在相关领域已发表SCI论文70余篇,包括以第一作者/通讯作者发表的J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等,获授权发明专利3件;曾获中科院卢嘉锡青年人才奖、中科院青年创新促进会会员、第四届福建省直机关五四青年奖章标兵、第三届福州青年科技奖等荣誉。黄小荥http://www.x-mol.com/university/faculty/22940冯美玲http://www.x-mol.com/university/faculty/26704Mercouri G. Kanatzidishttp://www.x-mol.com/university/faculty/381

来源: X-MOL 2018-10-23

尹航课题组发现新型NF-κB小分子抑制剂

细胞转录因子蛋白家族(NF-κB)在细胞免疫、炎症、细胞存活中都扮演着关键作用,开发NF-κB抑制剂对研究其生物学功能和发展抗炎、抗癌药物有重要意义。很多上游免疫蛋白可以激活NF-κB,例如Toll样受体(TLRs)、肿瘤坏死因子受体(TNFR)、白介素-1受体(IL-1R)、T细胞受体(TCR)和B细胞受体(BCR),其中TLRs是研究得比较透彻的一类免疫受体。TLRs蛋白家族会识别不同病原体,而激活下游的NF-κB信号,如TLR4识别LPS、TLR7识别单链RNA等。清华大学尹航教授(点击查看介绍)课题组在TLRs领域有多年研究基础,发表了一系列TLRs家族的小分子免疫调节剂。NF-κB的上游信号通路。图片来源:J. Med. Chem.最近,尹航课题组利用已建立的筛选平台,在过表达TLR7的HEK293细胞中(简称HEK7)通过高通量筛选方法发现了两个苗头化合物,这两个分子都有比较独特的酰肼结构。苗头化合物结构式。图片来源:J. Med. Chem.通过在多种过表达TLRs的HEK293细胞中测试,苗头化合物均表现出一定的抑制作用,因此研究人员认为苗头化合物的靶点不是TLRs,而是更下游的蛋白。在结构改造环节,研究人员保留了共有的酰肼结构,而重点研究两侧芳香基团的构效关系。实验发现分子抑制活性对芳香基团的改变比较敏感,最终确定了2-吡啶取代基和2,4-二氯苯基噻唑取代基作为活性最好的分子(Z9j),其IC50为0.26 μM,并且在20 μM内没有表现出明显的细胞毒性。Z9j在不同TLRs中的活性测试。图片来源:J. Med. Chem.接下来,研究人员重点证明了Z9j抑制活性的分子机制。特异性实验表明Z9j对所有TLRs激活的抑制能力相同,说明其真实靶点很可能是最下游的NF-κB。研究人员还用TNF-α、IL-1β、PMA激活HEK-Blue Null细胞(不表达TLRs,但表达下游的信号通路),Z9j可以成功将其抑制,也佐证了这一观点。在WT实验中,Z9j能够下调TLRs到NF-κB之间的IKKαβ、IkBα、Akt473、PI3K、p38、p-ERK、Src和Syk的磷酸化。并且能够抑制Src酶的活性。最后研究人员在细胞层面验证了Z9j的抗炎和抗肿瘤活性。LPS激活Raw264.7细胞是常用的炎症模型。Z9j能够有效抑制TNF-α和NO的分泌(均是炎症信号)。抗肿瘤实验中,研究人员将不同浓度的Z9j与HeLa细胞共培养,5 μM以上既能观察到明显的杀伤作用,40 μM可以杀死约80%的癌细胞。流式细胞术也表明Z9j能够显著增加HeLa细胞晚凋阶段(Q2区域)的比例。Z9j的抗肿瘤活性。图片来源:J. Med. Chem.尹航教授课题组通过高通量筛选和构效关系研究将苗头化合物的活性提高了约170倍,并验证了其NF-κB的抑制活性和抗炎抗肿瘤活性。这一方面丰富了研究NF-κB通路分子工具,另一方面提供了一系列有潜力的前药物分子。(本文作者:颜磊,清华大学基础分子科学中心博士生)原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Discovery of Novel Small-Molecule Inhibitors of NF-κB Signaling with Antiinflammatory and Anticancer PropertiesLei Zhang, Lei Shi, Shafer Myers Soars, Joshua Kamps, Hang YinJ. Med. Chem., 2018, 61, 5881−5899, DOI: 10.1021/acs.jmedchem.7b01557导师介绍尹航http://www.x-mol.com/university/faculty/46697

来源: X-MOL 2018-08-11

南北极夹击,海平面上升,人类文明危矣

多年以前就有科学家预言极地冰川融化会导致海平面上升,最终使得一些岛屿、滨海城市被淹没。很多人对这些预言嗤之以鼻,还有不少觉得这些预言就算能变成现实也离自己太过遥远。人类生产生活的排放(以碳排放为主)与“温室效应”之间是否有因果关系还存在着争论,连美国总统特朗普都不相信人类排放跟气候变暖有关,甚至连一些碳排放相关的国家经费都给砍掉了。美国总统特朗普。图片来源:NBCnews北极区域具有少量冰川,大部分是海洋,被称为“北冰洋”。科学家们对北极区域的冰川融化早有察觉,并进行了跟踪。最近一系列报道表明,北极的冰川融化正在加速。科学家预计,如果保持目前速度,到2040年北极冰层可能会全部融化,使海平面上升2米。相较于北极,南极区域是被一整块被冰川覆盖的大陆,又称为“南极洲”。南极洲是地球上最大的淡水库,如果全部融化,会使海平面上升58米!之前的研究表明,南极的冰川融化情况相对较为稳定。然而,最近的一些研究发现,南极冰川正以极快的速度消融,地球将受到南北两极冰川融化的“夹击”,海平面将以不可逆转的趋势上升。南极冰川消融。图片来源:Ian Phillips / Australian Antarctic Division澳大利亚南极局(Australian Antarctic Division)的Robert Massom博士领导的多国研究团队在Nature 上发表论文,报道了他们对南极冰川的冰架(ice shelf)的研究进展,发现其消融加速的原因是表面融水和底部海水的侵蚀 [1]。同时来自加拿大滑铁卢大学(University of Waterloo)的Christine F. Dow及其团队研究发现,南极冰架下的温暖海水使冰架底部逐渐变薄并开裂,导致冰面开裂,让更多的海水进入,加剧冰架不稳定 [2]。另外,英国利兹大学(University of Leeds)的Andrew Shepherd教授及其合作者也在Nature 发文,对南极冰川变化的趋势和联系进行了综述 [3]。笔者结合这些研究结果,简单介绍一下南极冰川融化的趋势。其实,冰川只有小部分位于海面上,大部分都隐藏在水下,这也是“冰山一角”一词的出处(下图)。一直以来,人们判断冰川消融主要是通过从水面上方观察两极冰川覆盖范围的大小,然而如今不仅冰川的水上部分在变小,水下部分也在消融。上方漂浮冰架与其下方固定冰盖之间的分界线被称为接地线(grounding line),接地线可以用来确定冰川融化的规模与速度。如果接地线以下的冰融化或者因为太薄而从基岩分离,这就会造成海平面的上升。冰架的组成部分以及其融化的影响因素。图片来源:Nature [1]加拿大的研究者通过观测南极大陆五个地区冰架的表面裂痕(fracture,下图黑色实线),地表河流(surface river,紫色虚线),并测绘了这些地方1987-2017年间的接地线差异(绿色),总结出冰面流动方向(下图)。他们发现,温暖的海水导致海底附近的冰盖明显萎缩,仅仅在五年里,这些地区的水下冰层面积就显著变薄了。他们推断这些冰层可能已经在水下融化,或者断裂后更快地漂流入海。冰架裂缝、地表河流以及接地线的观测。图片来源:Sci. Adv. [2]另一方面,澳大利亚的研究者比较了上世纪60年代至今的南极大陆海冰的覆盖区域(下图)。在Wikins和Larsen冰架区域内,海冰在近20年中显著消退。以南极洲最重要的冰川之一Thwaites冰川为例,此前研究表明,受到海洋变暖的威胁,该冰川在过去几十年一直在以大约每年400米的速度消退。有迹象显示,Thwaites冰川将在未来500至1000年崩塌解体,而海平面会上升大约2米。作者推测,即便人类能控制全球变暖甚至让海洋降温,也无法再让冰川变得稳固了。并且,融化的冰架可能对地表河流产生连锁效应,加速内陆冰融化并推高海平面。南极大陆海冰覆盖随时间变化卫星图。图片来源:Nature [1]冰架减少是否跟温度有关呢?利兹大学的研究者在综述中展示了南极大陆冰架厚度以及周边海冰温度分布图(下图)。他们发现,从上世纪90年代开始,很多地区冰架能够保持稳定,厚度未见减少。但例如西南极洲(West Antarctica)区域的冰架经历了明显的变薄,部分地区厚度减少10-18%。与之相应的是,其周边的海冰温度也比其他地区要高1.0-1.5摄氏度。作者推断说,温暖的海水冲击着边缘的冰架,不断侵蚀了冰架,造成其破裂和融化。南极海冰温度和冰架厚度分布图。图片来源:Nature [3]全球变暖和海平面上升是一个很热并且富有争议的话题,但极地冰川融化这个事实无可争议。人类文明的发展如果超过了地球环境承载能力的极限,最终必然会受到大自然的“报复”。常常看到“爱护环境、拯救地球”之类的宣传语,说实话,地球并不需要拯救!别说人类活动造成的气候影响了,就算是小行星撞击让所有生命毁灭,地球也不会怎么样,再过上数亿年,说不定还会是一派欣欣向荣的景象。需要被拯救的,只有我们自己!参考文献:1. Robert A. Massom, Theodore A. Scambos, Luke G. Bennetts, Phillip Reid, Vernon A. Squire, Sharon E. Stammerjohn. Antarctic ice shelf disintegration triggered by sea ice loss and ocean swell. Nature, 2018, 558, 383-390.2. Christine F. Dow, Won Sang Lee, Jamin S. Greenbaum, Chad A. Greene, Donald D. Blankenship, Kristin Poinar, Alexander L. Forrest, Duncan A. Young, Christopher J. Zappa. Basal channels drive active surface hydrology and transverse ice shelf fracture. Sci. Adv., 2018, 4: eaao7212.3. Andrew Shepherd, Helen Amanda Fricker, Sinead Louise Farrell. Trends and connections across the Antarctic cryosphere. Nature, 2018, 558, 223–232.(本文由叶舞知秋供稿)

来源: X-MOL 2018-07-06

四个初中课本反应方程,大幅降低CO2捕获成本

从工业革命以来,大气中二氧化碳(CO2)的含量一直在增加。全球的气温已经上升了0.85度,温度升高使海平面上升了1.5米。如果碳排放不加以控制,科学家预测到2500年,仅南极冰川融化就能使海平面上升15米。甚至有研究称,二氧化碳含量增加将影响植物转化蛋白质的能力,导致粮食作物的营养质量变差 [1];小麦和大米中锌、铁和蛋白质含量显著降低 [2]。如何减少大气中二氧化碳的含量呢?几种可能的解决方案如下图所示。减少大气CO2的几种方法。图片来源自网络由于大量的碳排放要归因于化石燃料的使用,因此不少科学家还尝试逆转“燃烧”过程,即,利用可再生能源在催化剂存在下将二氧化碳转化为燃料,例如烃类 [3]。这听起来更像是能快速、高效解决二氧化碳问题的终极方案,燃料→二氧化碳→燃料,如此形成的循环,所消耗的仅仅是太阳能、风能等可再生的能源。然而问题又来了,如果用做反应原料,空气中的二氧化碳含量又太低了。虽说有不少新技术可以从空气中直接收集二氧化碳,但它们的成本却成为大规模实际应用的最大障碍。将CO2转化为汽油。图片来源:Nat. Commun.[3]近日,美国哈佛大学教授、Carbon Engineering公司的创始人David Keith等人在Joule 杂志报道了一种廉价且有效的工艺,从空气中直接收集二氧化碳。与很多人发表的类似文章不同,他们的“直接空气捕获(DAC)”技术已经在中试工厂中运行了数年,而且这篇文章除了包括工程工艺的内容,还基于实际运行数据进行了详细的成本分析,为进一步商业化打下坚实的基础。此前对DAC技术的综合分析中,比较有影响的是2011年美国物理学会(APS)的一项报告 [4],当时预计空气中收集二氧化碳每吨大约要花费约600美元。在这篇文章中,Keith等人的工厂将成本降低到每吨94-232美元,而且未来大规模工厂化后,他们可以将这一成本控制在每吨100美元以内。也就是说,这7年来,DAC法的成本下降幅度超过了80%。DAC法收集CO2的成本大大降低。图片来源:Joule回收工艺并不复杂,用初中学过的化学方程式就能表示。第一步循环利用KOH吸收空气中的CO2,生成K2CO3,然后再和Ca(OH)2反应,生成CaCO3和KOH;第二步循环将CaCO3高温分解,生成CaO和CO2,CaO和水反应继续生成Ca(OH)2。其中KOH和Ca(OH)2都可以循环使用。研究者对这两个循环过程进行了设备的配置和能量核算,在满负荷下,该装置每年可以从大气中收集约100万吨二氧化碳,相当于25万辆普通汽车每年的排放量。工艺的化学与热力学。图片来源:Joule该过程包括四个最重要的基本单元操作:接触器、反应器、煅烧炉和熟化器,分别对应于上述四个化学反应。接触器的设计基于商用冷却塔技术,使环境空气与碱溶液接触。溶液通过结构塑料填料向下流动,空气通过该填料后水平流动。反应器改进了RHDHV开发的水处理技术,这一步骤是整个工艺流程创新技术的核心部分,得到的沉淀不是“石灰浆”,而是10~50 μm的方解石晶体。这不但降低了成本和能源消耗,还让所得沉淀易于洗涤、干燥,降低了沉淀的碱性。工厂设计图。图片来源:Joule煅烧CaCO3产生CO2是在循环流化床中完成的,该技术与TECHNPO公司合作完成。整个循环的最后一部分是熟化器,而且反应产生的热量被用来干燥和预热颗粒。质量和能量平衡过程。图片来源:Joule整个系统用天然气(电能)供能,如果全部使用天然气,回收1吨二氧化碳需要消耗8.81 GJ;如果使用天然气加电能,需要消耗5.25 GJ 天然气和 366 kWhr的电力。燃烧天然气一样会有二氧化碳排放,根据已报道的数据估算,燃烧1 GJ天然气的排放约为63.8 kg二氧化碳。也就是说, 回收1吨二氧化碳需要消耗的天然气,造成的排放约为562 kg二氧化碳,净回收量约为438 kg。Carbon Engineering公司早在2009年就开始研发直接收集空气中二氧化碳的技术,2015年在加拿大启动了第一个试验工厂,3年后,他们收集了足够的数据来计算工厂的效率和成本,并且证明了该工艺可以实现收集每吨二氧化碳100美元以下的成本。目前,这家公司已经获得比尔•盖茨(Bill Gates)和默里•爱德华兹(Murray Edwards)等巨头的投资。图片来源:Carbon EngineeringDavid Keith说:“我们的工艺尽可能地建立在普遍存在的现有技术基础之上,这也是为什么我们认为该工艺进行大规模商业化应用的原因。”卡内基研究所Ken Caldeira说:“如果这些数据是真实的,那么这将是一个非常重要的结果。在无需改变整个能源系统或者改变每个人行为的前提下,我们将可以用负担得起的成本来稳定地球气候。”Carbon Engineering公司的首席执行官Steve Oldham说,如果收集二氧化碳的成本可以降低到每吨100美元,就可以生产每升约1美元的、在市场上有竞争力的合成燃料。尽管如此,斯坦福大学的气候科学家Chris Field表示谨慎乐观,他认为这项技术不是对付气候变化问题的“仙丹妙药”,其大规模应用和推广的速度是否能够跟上碳排放增长的速度,并对大气二氧化碳水平产生实质性影响仍属未知之数。此外,减排一吨二氧化碳比回收处理一吨二氧化碳的成本要低得多。[5-6]原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):A Process for Capturing CO2  from the Atmosphere Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.05.006参考文献:1. Nitrate assimilation is inhibited by elevated CO2 in field-grown wheat. Nature Climate Change, 2014, 4, 477-480. DOI: 10.1038/NCLIMATE21832. Increasing CO2 threatens human nutrition. Nature, 2014, 510, 139-142. DOI: 10.1038/nature131793. Directly converting CO2 into a gasoline fuel. Nature Communications, 2017, 8, 15174. DOI: 10.1038/ncomms151744. https://www.aps.org/policy/reports/assessments/upload/dac2011.pdf5. http://www.sciencemag.org/news/2018/06/cost-plunges-capturing-carbon-dioxide-air6. https://www.nature.com/articles/d41586-018-05357-w(本文由小希供稿)

来源: X-MOL 2018-07-05

Science:汽车尾气不再是“雾霾祸首”?

一周前,我国北方的朋友们大多经历了一场连续几天的重度雾霾天气,北京等数个城市也发布了2018年的首次空气重污染橙色预警。[1]城市的空气污染不仅影响生活,对于人类健康也有很大的潜在威胁。在世界范围内,空气污染被认为是继营养不良、食品安全、高血压和吸烟之后,对人类的第五大健康威胁。[2]与发展中国家常见的城市空气污染类似,美国和欧洲的很多工业城市也面临严重的空气污染问题。城市大气污染物中,最为知名的PM2.5(空气动力学当量直径小于等于2.5 μm的细颗粒物),其主要成分之一是二次有机气溶胶(secondary organic aerosol,SOA),而SOA则是由挥发性有机物(volatile organic compound, VOC)氧化而形成。另外,在氮氧化物(NOx,汽车尾气主要成分)存在下,VOC的氧化也能增加空气中的臭氧(O3)含量,而臭氧可以增加呼吸道疾病的风险。因此,VOC的排放量与大气污染程度直接相关。洛杉矶。图片来自网络此前,城市里VOC和氮氧化物的排放大户无疑是运输业,成千上万辆汽车排放的尾气也因此成为了“雾霾祸首”。不过,随着各国的排放标准越来越严格,汽车尾气排放的污染物含量明显下降,长期被汽车尾气所掩盖的VOC其他来源也开始引起人们的重视。不过,最近美国科罗拉多大学波尔得分校(CU Boulder)的Brian C. McDonald等人发表在Science 的研究结果,却让人觉得这种重视还远远不够。他们发现,包括化妆品在内的挥发性化学产品(volatile chemical product,VCP)已经成为美国城市雾霾最主要的VOC污染源,严重程度已经不低于汽车尾气排放。这一结果甚至让研究者自己都觉得吃惊,McDonald说,“早上起床后用的那些东西,造成的排放居然和我汽车的排气管不相上下,这让很多人大吃一惊。”[3]要测量VCP的使用造成的VOC排放并不容易。McDonald等人的研究重点包括杀虫剂、涂料、印刷油墨、粘合剂、清洗剂以及个人护理用品,这些VCP中所含的有机溶剂,是实实在在的VOC来源。为了证明VCP是VOC排放的重要来源,他们从以下四个方面来寻找证据:(1)能源和化学生产统计数据;(2)路边测量的汽车尾气排放,以及在实验室进行的化学产品测试;(3)远离道路的室外环境空气测量与分析;(4)室内空气测量与分析。图1. 2012年美国石化工业的有机物质量平衡。(A)石化工业原料(黄色区域为追踪的碳氢原料);(B)用于生产有机溶剂的原料;(C)有机溶剂;(D)挥发性化学产品(VCP);(E)各类石油产品的排放。图片来源:Science作者首先通过能源和化学生产统计数据和路边与实验室测试的结果,构建了如图1所示的美国石化工业的有机化合物质量平衡。从图1A可以看出,在美国天然气、汽油和柴油构成了石油原料的主要次级产品,它们被直接用做燃料,总量是用做化学产品原料(黄色区域)的烃类总量的约15倍。而烃类原料通过制成各类化工中间体,生产各类型的化学产品。作者指出,不是所有的化学产品都容易产生VOC,比如塑料和橡胶产品。挥发性有机溶剂会大量产生VOC,并且把这一特性带到了最终的化学产品,例如杀虫剂、涂料、印刷油墨、粘合剂、清洗剂、个人护理用品等等。作者进一步使用路边空气测量及文献报道的实验室测试结果,分析了汽车燃料和化学产品的VOC排放系数(每单位产品使用带来的排放量)。由图2可以见,VCP的VOC排放系数(黄色柱状图)比汽车燃料汽油和柴油的VOC排放系数(绿色和蓝色柱状图)至少高1到2个数量级。作者推测原因可能是现今汽车的绝大部分燃料在燃烧后产生的是二氧化碳,此外近几十年更加高效的三元催化剂减少了汽车尾气排放。作者得出结论,在国家和城市层面,美国和欧洲城市15-42%的VOC来源于汽车尾气,而其它39-62%来源于VCP。这说明VCP直接导致的VOC排放,在城市空气污染中的比重已经不次于甚至超过了汽车尾气。图2. 各种燃料和VCP的总VOC排放系数。图片来源:Science如果VCP是城市空气污染的重要来源,那么理论上可以从城市室外和室内的空气质量的监测中找到蛛丝马迹。为验证这一结论,作者对洛杉矶的室外和室内的空气进行了监测,并进行了模型分析(图3)。其中,室外模型中,化石燃料贡献了新排放VOC中的61%(图3A)。令人惊奇的是,这些VOC中乙醇占近20%。而常规的含乙醇汽油中,乙醇含量至少为10%。而现在检测到数据大于10%,这说明很有可能是VCP贡献了剩余部分。在将VCP考虑进来之后,模型的偏离大大减少。而且VCP中的一些标志性VOC也被检出,例如,在个人护理产品、洗涤剂和酒精饮料中广泛存在的乙醇和异丙醇,油漆稀释剂成分丙酮,涂料中的常见成分壬烷、癸烷、十一烷等,以及洗涤剂和油漆稀释剂中的常见成分氯代烃类。更重要的是,作者发现室内空气检测到的VOC浓度是室外的7倍(图3C)。显然,室内主要的VOC来源于消费型VCP产品。图3. 室内外VOC排放的模型分析。图片来源:Science接着,作者以洛杉矶作为研究对象,评价了VCP排放物对空气污染的影响。图4B显示了VCP占VOC总排放量的53%,其中包括38%的消费型VCP和15%的工业VCP。由于VCP和燃料具有相似的反应活性,它们的反应活性分布被列在图4C。图4D显示了VCP和各类燃料产生SOA的潜力分布图,其中VCP占了60%。这一结果表明洛杉矶空气污染物超过半数的来源是VCP。图4. 洛杉矶环境空气污染组成部分。图片来源:Science知己知彼,方能百战不殆。要有效地治理空气污染,就必须要先了解清楚污染源。Brian C. McDonald等人的研究结果表明,包括香水、化妆品和日常洗涤剂之类家庭日用品的挥发性化学产品是城市雾霾形成的重要污染来源,而且会给室内空气带来更为严重的影响。尽管这一研究的对象是美国的工业化城市,但对于我国的大气污染防治来说也有重要的借鉴意义。笔者还联想到了不久前报道的一项长达20年的随访结果,研究者发现定期使用清洁剂打扫卫生的女性,比起不怎么做家务的女性肺功能下降了20%左右。[4] 在此郑重提醒各位,要注意日常生活中的那些挥发性化学产品造成的室内空气污染,健康最重要。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Volatile chemical products emerging as largest petrochemical source of urban organic emissionsScience, 2018, 359, 760-764, DOI: 10.1126/science.aaq0524相关报道:1. http://bj.people.com.cn/n2/2018/0311/c233354-31329254.html2. GBD 2016 Risk Factors Collaborators. Lancet, 2017, 390, 1345-14223. https://www.nature.com/articles/d41586-018-02132-94. https://www.atsjournals.org/doi/pdf/10.1164/rccm.201706-1311OC(本文由叶舞知秋供稿)

来源: X-MOL 2018-03-16

简单制备对活性层膜厚和器件面积变化不敏感的高效非富勒烯聚合物太阳能电池

随着世界经济的高速发展,能源和环境危机已日益加剧,人们对清洁能源的需求也越来越迫切。太阳能作为取之不尽、用之不竭的绿色能源,如何对其进行高效利用一直是人们的研究热点。聚合物太阳能电池具有质轻、可大面积制备柔性半透明器件等优点,受到研究者的广泛关注。近两年来,随着窄带隙非富勒烯受体材料的飞速发展,聚合物太阳能电池的光电转换效率已经高达14%。然而,基于此类体系的高效宽带隙聚合物给体材料的种类非常有限,活性层形貌需要后处理优化,并且在一定程度上对活性层的膜厚和器件的面积较为敏感,严重制约了聚合物太阳能电池的进一步发展和实际应用。最近,苏州大学先进光电材料重点实验室的张茂杰教授(点击查看介绍)使用一种以氟取代噻吩基苯并二噻吩为给体单元、苯并二噻吩二酮为受体单元的二维共轭聚合物给体材料PM6用作给体,非富勒烯IDIC用作受体,在不需要任何特殊处理的情况下,简单方便地制备了对活性层厚度和器件面积不敏感的高效非富勒烯太阳能电池(能量转化效率11.9%)。张茂杰教授在前期对富勒烯聚合物太阳能电池的研究中发现,将氟原子引入噻吩基取代的苯并二噻吩(BDT-T),能够同时降低聚合物的HOMO能级、提高聚合物的消光系数、增强分子间的相互作用、提高材料的结晶性和空穴迁移率,从而使中间带隙共轭聚合物光伏器件的能量转化效率从4.5%提高到8.6%(Adv. Mater., 2014, 26, 1118)。随后他们又将氟原子修饰噻吩基取代的苯并二噻吩引入宽带隙的共轭聚合物体系,得到新的聚合物PM6,使用PM6为给体、富勒烯PCBM为受体制备聚合物太阳能电池的效率为9.2%(Voc= 0.98 V)(Adv. Mater., 2015, 27, 4655)。他们在聚噻吩衍生物电子供体上引入氟原子,合成新的聚合物给体材料PBDD-ff4T,该材料的富勒烯受体聚合物太阳能电池在不经过任何后处理的情况下得到9.2%的能量转化效率。同时,氟原子的引入能够显著改善器件对活性层厚度变化的敏感性 (Adv. Energy Mater., 2016, 6, 1600430),当活性层厚度达到250 nm时,光伏器件的能量转化效率仍可维持在最佳效率的80%。近日,利用给、受体吸收光谱的互补作用,该团队以PM6为给体、窄带隙的ITIC为受体,共混制备了非富勒烯聚合物太阳能电池,在开路电压高达1.04 V的情况下依然获得了9.7%的效率。相关工作发表在Journal of Materials Chemistry A 上1,论文入选2017年JMCA杂志的热点论文。为了获得更高的器件效率,该研究团队以PM6为给体、以结晶性更强的窄带隙IDIC为受体,共混制备了非富勒烯聚合物太阳能电池,在没有任何后处理的情况下获得了高达11.9%的效率(Voc = 0.97 V, Jsc = 17.8 mA•cm-2, FF = 69%),作者强调这是当时无任何后处理的器件中的最高效率值,相关工作发表在Advanced Materials上2。为了研究该聚合物太阳能电池的实际应用潜力,他们制备了不同活性层厚度和不同器件面积的聚合物太阳能电池,发现活性层膜厚范围为95-255 nm、器件面积为0.20-0.81 cm2 时均可以获得超过11%的能量转换效率。当器件面积高达1.25 cm2 时,初步优化的柔性聚合物太阳能电池依然可以得到6.54%的能量转换效率。基于PM6 : IDIC的共混膜拥有良好的相分离和互穿网络结构,同时,强结晶性的PM6在共混膜中拥有16 ± 6 nm的较长激子扩散距离。上述结果表明,该活性层体系适用于高效柔性大面积器件的简单、无后处理制备,一定程度上推动了聚合物太阳能电池的产业化进程。图1.(a)聚合物给体和小分子受体的结构式;(b)吸收曲线;(c)能级示意图。图2.(a)不同活性层膜厚时的电流-电压曲线;(b)外量子效率曲线;(c)器件效率与活性层膜厚的关系;(d)不同器件面积时的电流-电压曲线。图3. 柔性器件的电流-电压曲线。表1. 不同活性层厚度和不同器件面积太阳能电池的光伏参数。图4. PM6 : IDIC的共混膜在不同处理条件下的GIWAXS和ReSOXS图。图5.(a)PM6的激子扩散示意图;(b)PM6纯膜和PM6 : ITIC共混膜的时间分辨PL图。相关成果发表在Journal of Materials Chemistry A以及Advanced Materials 上,论文的第一作者是苏州大学的博士研究生凡群平和硕士研究生王燕。1. 该论文作者为:Yan Wang, Qunping Fan, Xia Guo, Wanbin Li, Bing Guo, Wenyan Su, Xuemei Ou, Maojie Zhang原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):High-performance nonfullerene polymer solar cells based on a fluorinated wide bandgap copolymer with a high open-circuit voltage of 1.04 VJ. Mater. Chem. A, 2017, 5, 22180, DOI: 10.1039/C7TA07785H2. 该论文作者为:Qunping Fan, Yan Wang, Maojie Zhang, Bo Wu, Xia Guo, Yufeng Jiang, Wanbin Li, Bing Guo, Chennan Ye, Wenyan Su, Jin Fang, Xuemei Ou, Feng Liu, Zhixiang Wei, Tze Chien Sum, Thomas P. Russell, Yongfang Li原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):High-Performance As-Cast Nonfullerene Polymer Solar Cells with Thicker Active Layer and Large Area Exceeding 11% Power Conversion EfficiencyAdv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201704546张茂杰教授简介张茂杰,苏州大学材料与化学化工学部教授;2011年毕业于中国科学院化学研究所,获得博士学位,导师李永舫院士;2011年至2014年在中国科学院化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室工作;2013年获北京市科学技术奖二等奖,2014年获国家基金委优秀青年科学基金资助,2014年9月受聘苏州大学、教授、博士生导师,2016年获苏州市高等院校、科研院所紧缺高层次人才,2017年获江苏省“双创人才”。张茂杰2008年开始从事有机光伏材料与器件相关的科学研究,迄今为止共发表SCI研究论文100余篇,授权中国专利2项,刊物包括Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Mater.、Macromolecules 等;发表论文SCI他人引用4000余次,H因子37,其中,15篇论文单篇他人引用超过100次,12篇论文入选ESI高被引论文,2篇论文入选“中国百篇最具影响国际学术论文”。http://www.x-mol.com/university/faculty/43043

来源: X-MOL 2018-01-03

大气环境污染监测国家工程实验室建设启动

图片来源于网络近日,大气环境污染监测先进技术与装备国家工程实验室建设启动大会在合肥召开,此举标志着我国大气环境监测领域唯一的国家级工程实验室启动建设。据悉,该实验室由国家发改委批准成立,由中国科学院合肥物质科学研究院作为项目法人单位,联合北京大学、中国环科院、中国环境监测总站、中科院大气所等在国内相关技术领域最具实力院所和企业共同组建。根据建设规划,实验室从应用研究、技术研发、产品开发、工艺开发着手,将围绕我国大气环境监测和环保产业升级发展需求,以提高国产仪器设备的技术水平、增强我国大气环境监测装备的核心竞争力为目标,开展地基、车载(船载)、机载和星载等多平台大气环境监测装备研发,突破大气细颗粒物、气态污染物、挥发性有机物、重金属等污染物监测的核心技术,形成共性技术研发、试验检测和工程化产业化开发能力;通过政产学研用协同创新,建成我国大气环境监测关键共性技术创新平台,我国大气环境监测设备工程化示范基地;成为国际一流的环境监测设备高技术成果辐射基地、大气环境监测高技术研发和人才培养基地。http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2017-12/25/content_384730.htm?div=-1

来源: X-MOL 2017-12-25
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