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关键词： eScience   data   Semantic Web   collaboration   open science   digital  

摘要： As the volume of data associated with scientific research has exploded over recent years, the use of digital infrastructures to support this research and the data underpinning it has increased significantly. Physical chemists have been making use of eScience infrastructures since their conception, but in the last five years their usage has increased even more. While these infrastructures have not greatly affected the chemistry itself, they have in some cases had a significant impact on how the research is undertaken. The combination of the human effort of collaboration to create open source software tools and semantic resources, the increased availability of hardware for the laboratories, and the range of data management tools available has made the life of a physical chemist significantly easier. This review considers the different aspects of eScience infrastructures and explores how they have improved the way in which we can conduct physical chemistry research.

关键词： 中低品位铝土矿   钙化碳化法   铝硅酸盐矿物   钙化转型机理   工业实验  

摘要： 中国是全球最大的氧化铝生产国,截至2021年12月底,国内氧化铝产能达到9035万吨/年。我国庞大的氧化铝产能使得铝土矿资源供需形势紧张,铝土矿进口依存度不断提高,现阶段已达55%,预计到2030年进口比例将达到80%。同时,氧化铝工业年排放1亿吨以上的赤泥,长期堆存处理给企业带来了巨大的经济及环保负担。因此,实现我国中低品位铝土矿的高效、清洁利用以及赤泥的资源化利用是保证我国氧化铝工业健康、可持续发展的关键。 围绕中低品位铝土矿及赤泥的利用,东北大学提出了基于源头阻断的钙化碳化法氧化铝清洁生产技术,该技术从改变铝土矿溶出过程平衡固相(赤泥)结构组成的角度入手,打破了先排放赤泥再处理的生产模式,得到理论上既不含碱和又不含铝的新型结构赤泥,实现了氧化铝的清洁生产。钙化碳化法可以实现低品位铝土矿的高效利用,但对不同地区同一类型矿物的处理效果存在差异,而造成这种差异的主要原因在于不同地区的铝土矿中含铝硅矿相的组成及溶出特性不同。为此,本文在钙化碳化法理论基础上以铝土矿中常见的层状(高岭石、伊利石、叶腊石、蒙脱石和绿泥石)及架状(钾长石和钠长石)铝硅酸盐矿物为研究对象,对不同矿物钙化溶出过程的条件参数及相转变规律进行了探究。本文的主要研究工作如下: (1)对铝硅酸盐矿物的标准吉布斯自由能进行了估算,进而分析了不同矿物钙化反应过程的热力学行为。结果表明,不同硅饱和系数水化石榴石的生成反应均能自发进行,在323～573 K温度范围内,随着生成水化石榴石的硅饱和系数(x)增大,钙化反应的吉布斯自由能减小,相同温度下,反应倾向于生成硅饱和系数大的水化石榴石。 (2)以单一的铝硅酸盐矿物为原料,考察了反应温度、钙硅比、铝酸钠溶液碱浓度以及反应时间等因素对不同矿物钙化溶出过程的影响规律。结果表明,不同铝硅酸盐矿物的溶出难易顺序(以反应率计)为高岭石>伊利石>蒙脱石>钾长石>钠长石>叶腊石>绿泥石。温度和铝酸钠溶液碱浓度的升高有利于矿物反应率的提高,钙硅比过高对蒙脱石、钾长石以及钠长石的钙化溶出过程更为不利。反应时间的延长有利于提高叶腊石和绿泥石的反应率。 (3)采用XRD、SEM、TEM、MAS-NMR波谱以及化学元素分析等技术对不同铝硅酸盐矿物钙化溶出渣进行了相关分析表征。结果表明,在高钙体系下,钙化渣中硅和铝主要存在于水化石榴石相,但高岭石和叶腊石钙化溶出渣中仍会存在Na8(Al6Si6O24)(OH)2(H2O)2相,蒙脱石会形成Na6(AlSiO4)6相,而伊利石、钾长石、钠长石及绿泥石则由于溶出过程中体系内K+、Na+浓度升高和钙盐的替代作用,抑制了钠硅渣的形成。绿泥石钙化溶出率低主要是由于(Mg,Al)6(Si,Al)4O10(OH)8相中Mg的存在抑制了绿泥石的反应。 (4)对不同铝硅酸盐矿物钙化溶出过程进行了动力学研究,结果表明,铝硅酸盐矿物钙化溶出过程遵循未反应核收缩模型,高岭石、伊利石反应速率受到界面化学反应控制,表观活化能分别为60.85 kJ/mol、64.42 kJ/mol;叶腊石、蒙脱石、绿泥石、钾长石及钠长石反应速率受到固体产物层扩散和界面化学反应的混合控制,表观活化能分别为32.34 kJ/mol、17.79 kJ/mol、14.67 kJ/mol、13.68 kJ/mol、18.03 kJ/mol。 (5)在山西某氧化铝厂进行了钙化碳化法的半工业实验研究,结果表明,钙化碳化法在处理国内典型一水硬铝石型铝土矿时,钙化溶出渣中Na2O质量分数可降至0.95%,经两次碳化溶铝后,赤泥中A/S降至0.85,氧化铝的实际溶出率可达81.32%。相对于实验室条件,工业实验在相关工艺参数上进行了优化,碳化反应时间可缩短至60 min,CO2气体压力降低至0.9 MPa,溶铝时间可缩短至30 min。

关键词： 球形   纳米硫化镉   溶解热力学   溶解动力学   界面热力学   表面张力   尺寸依赖性   表面热容的临界尺寸效应  

摘要： 纳米材料独特的物理、化学性质与其“nano-effect”(纳米效应)密切相关,而影响“nano-effect”的主要因素就是纳米颗粒的尺寸。尺寸大小会显著影响纳米材料的应用价值,此外,大多数文献报道了纳米颗粒溶解过程中热力学性质的粒径依赖性问题。然而,时至今日有关纳米颗粒在溶解时的动力学性质尺寸依赖性问题的研究报道依然不是很多,现有的这些报道还是存在结论之间产生相互矛盾与冲突的现象。另一方面,有关固体表面能(包括表面Gibbs自由能、表面焓、表面熵和表面热容)和表面张力的测定方法也有很多,但是这些方法大多不适合用于测定纳米级别材料的表面能和表面张力,并且有关界面热力学(包括表面张力、界面焓、界面熵和界面热容)性质与尺寸依赖性研究的规律和解释也不是很多。至此,可以看出,纳米材料上述基本的物理化学属性都还不完善,这大大阻碍了其后续的发展及应用价值。因此,本文依据这些方面提出了采用溶解度技术解决了纳米材料在溶解过程中的热力学、动力学、表面热力学以及界面热力学性质的尺寸依赖性问题。(1)不同粒径球形纳米硫化镉的制备本文采用溶剂热法,通过利用I.乙酸镉和TAA作为反应物油酸作为溶剂和表面活性剂以及II.硝酸镉和硫脲配合PVP K-40作为表面活性剂、乙二醇作为溶剂,这两种方法制备了不同粒径球形的纳米硫化镉,同时,通过陈化方法制备了块体硫化镉。通过使用X射线粉末衍射仪、透射电子显微镜及比表面积和孔隙率分析仪对产物的物相、形貌、尺寸以及比表面积进行了表征。(2)溶解热力学及表面热力学性质(表面能)的尺寸依赖性研究通过在理论推导部分设计热力学循环以及引入界面变量参数对球形纳米颗粒进行完整的溶解热力学和表面热力学性质的理论推导,在实验上利用溶解度技术结合电化学平衡法原理以及块体硫化镉的物理化学参数,系统地计算了溶解力学和表面热力学性质尺寸依赖性规律,结果显示:(a)对于球形纳米硫化镉的溶解体系,其溶解热力学性质与粒径的倒数之间有明显的曲线或者线性关系。随着粒径的逐渐增加,标准摩尔溶解吉布斯自由能、标准摩尔溶解熵和标准摩尔溶解焓的值也增大,但标准溶解平衡常数的对数、摩尔表面Gibbs自由能、摩尔表面焓和摩尔表面熵的值却在减小。(b)纳米硫化镉的摩尔表面热容存在明显的临界尺寸效应,且临界尺寸值在8.1 nm和15.1 nm之间,为9.3 nm。(3)溶解动力学性质的尺寸依赖性研究在理论推导部分结合过渡状态理论通过引入界面变量参数对球形纳米颗粒进行完整的溶解动力学性质的理论推导,在实验上利用溶解度技术结合电化学平衡法原理以及块体硫化镉的物理化学参数,系统地计算了溶解动力学性质的尺寸依赖性规律,结果显示:(a)对于球形纳米硫化镉的溶解过程,其溶解动力学性质与粒径(或者粒径)的倒数之间存在明显的线性或者曲线关系,并且溶解过程遵循Arrhenius规律。当粒径逐渐增加时,溶解摩尔活化Gibbs自由能、溶解摩尔活化熵、溶解摩尔活化焓、表观活化能和指前因子的对数值均在逐渐增大,而溶解速率常数的对数和溶解级数的值均在逐渐减小。(b)通过对比用溶解热力学性质和溶解动力学性质导出的摩尔表面热力学性质后发现,用溶解动力学性质计算的摩尔表面Gibbs自由能、摩尔表面焓和摩尔表面熵的值偏大,这可能是过渡状态理论的理想假设所致。(4)界面热力学性质的尺寸依赖性研究在理论推导部分结合单分子层模型及Gibbs-Tolman-Kening-Buff方程对球形纳米颗粒进行完整的界面力学性质的理论推导,在实验上利用溶解度技术结合纳米和块体硫化镉的摩尔表面热力学性质(摩尔表面Gibbs自由能、摩尔表面焓和摩尔表面熵)以及比表面积数值,系统地计算了界面热力学性质尺寸依赖性的规律,结果显示:(a)对于球形纳米硫化镉,当粒径逐渐增加,表面张力、界面焓和界面熵的值在逐渐增大。(b)纳米硫化镉的界面热容也存在明显的临界尺寸效应,且临界尺寸值在8.1 nm和15.1 nm之间,为8.7 nm,与摩尔表面热容之间存在0.6 nm的可控误差。本文采用的溶解度技术结合完整的理论推导部分用于解决纳米颗粒溶解过程中的溶解热力学(包括表面热力学性质)、动力学及界面热力学性质的尺寸依赖性问题具有重要的指导意义与参考价值,同时,计算得出的表面张力可以解决纳米材料表面张力测定困难的问题,为其提供一个通用的新途径。此外,纳米硫化镉表面热容的临界尺寸效应对于理解纳米材料的储能过程具有重要意义。

摘要： 2023年全国报刊杂志征订工作已经开始,敬请向贵单位推荐订阅2023年《物理化学学报》。《物理化学学报》是由中国科学技术协会主管,中国化学会和北京大学共同主办,北京大学化学与分子工程学院学报编辑部编辑出版的学术刊物。设有“通讯”“展望”“专论”“综述”“论文”等栏目,报导物理化学学科及交叉学科的基础研究及应用研究的创新成果。中国科学院院士唐有祺先生担任名誉主编,中国科学院院士、北京大学刘忠范教授担任主编;编委会中有16位两院院士,1位加拿大科学院院士,3位海外学者。2004年,获得国内期刊界最高奖——第三届国家期刊奖百种重点期刊奖;2015年入选国家新闻出版广电总局“百强报刊”。中国科协精品科技期刊工程项目资助出版。读者普遍认为《物理化学学报》具有极高的学术价值和收藏价值。WOS公布的2021年期刊影响因子(JIF)为6.253。

关键词： Pb3V2O8陶瓷   纳米结构   光催化降解   铁弹畴   空间选择性反应  

摘要： 半导体材料以其优异的特性在功能陶瓷的研究中备受瞩目,广泛应用于各类陶瓷器件中。三元钒基半导体相比于二元钒氧化物来说,带隙窄,种类多,光电性能稳定,催化效率高,在光电领域具有更多研究的潜力。铁电体虽具有优秀的分离光生载流子的能力,但其大部分可吸收的光波长限制在紫外区域,这限制了其应用。而BiVO4、WO3等能吸收可见光的铁弹性材料也表现出类似于铁电表面的空间选择光化学活性,这在一定程度上解决了铁电体存在的问题。BiVO4作为三元钒基化合物的代表,具有优异的微波介电性能,较高的光催化效率和空间选择性反应。Pb3V2O8与BiVO4室温均属单斜晶系,具有低温相变,且结构具有一定的相似。目前对于Pb3V2O8材料的研究主要集中在其物相结构和相转变,其功能性与相应应用尚待发掘。基于此,本论文以Pb3V2O8材料为研究对象,探究了材料表面具有的物理化学性能。具体研究内容与结果如下:（1）利用固相反应结合放电等离子体烧结制备Pb3V2O8陶瓷粉末和块体,研究了其物相结构和基本的物理性能。X射线衍射结果表明制备出的Pb3V2O8陶瓷粉末和块体均具有单斜相的结构;紫外可见光吸收谱的表征表明Pb3V2O8陶瓷粉末的禁带宽度为2.37 eV,光吸收范围扩展到了可见光波段550 nm,这低于很多半导体材料;实验利用介温测试仪对陶瓷的介电性能进行了研究,发现在低频时,Pb3V2O8陶瓷具有107的量级的介电常数;介电温谱图与变温拉曼光谱的结果表明制备出的Pb3V2O8陶瓷在100℃左右存在由三方γ相位转变为单斜β相位的相转变。（2）利用化学腐蚀法,通过调控氢氟酸和盐酸与水的体积比,在Pb3V2O8陶瓷表面获得不同的纳米结构形貌。当腐蚀剂体积比为HF:HCl:H2O=1:1:200时,陶瓷表面呈现均匀的纳米片结构,对其物相结构的分析表明酸的腐蚀使陶瓷表面生成了新的物质PbFCl。具有纳米片结构的陶瓷与Pb3V2O8陶瓷水接触角的结果表明,两组样品均为疏水的表面,而蚀刻后的陶瓷水接触角更大。在氙灯照射下,具有纳米片结构的陶瓷表面在120 min之内可将15 mg/L的甲基橙溶液降解完全,且在循环三次后仍能达到80%的降解率,循环稳定性较好。（3）利用原子力显微镜和压电力显微镜分别对盐酸蚀刻和热蚀刻后的Pb3V2O8陶瓷表面的铁弹畴和光化学反应性进行了表征分析。结果表明中心对称的铁弹体Pb3V2O8材料由于铁弹相变在表面产生极性区域,且通过光沉积实验能够验证Pb3V2O8表面畴结构能够促进硝酸银溶液中Ag的空间选择性还原。这与陶瓷近表面区域的挠曲电效应有关。此外,光沉积实验也验证了 Pb3V2O8陶瓷材料具有以晶面为单位的空间选择反应性。

关键词： 物理化学   科学读写教学策略   学科结构理论   知识建构   基于设计的研究  

摘要： 近年来科学教育领域愈加重视科学阅读与科学写作,读写能力的本质其实就是一种跨学科的核心素养。但科学读写教学策略影响知识建构的思路目前尚未见文献报道。笔者在《物理化学》课程长期教学中早已采用了一些与科学读写相关的教学策略,也感觉到它们有助于学生的知识建构,将课题确定为“科学读写教学策略对学生‘物理化学’知识建构的影响研究”,关注化学课程与教学的实践问题和理论建构。 在文献研读和现实研究条件分析的基础上,笔者选择基于设计的研究作为主要的研究范式。主要解决两个关键问题:(1)如何设计科学读写教学策略并在《物理化学》课程中实施?(2)科学读写教学策略对“物理化学”知识建构的影响是什么?为什么会发生这些影响? 首先确定学科结构理论、科学认识论、建构主义理论分别为本研究的知识论、认识论和教学论基础。 其次,在理论指导下设计教学策略,在实施过程中探索教学策略的有效性并加以改善:第一轮采用学案为载体、问题为支架的引导读写策略和概念为节点、结构化为目标的思维导图策略;第二轮应用升级版引导读写策略和深度阅读教学策略。教学干预的对象分别是N高校两个不同年级的化学师范生,分别为39人和42人,各自历时一学期;在教学实践期间,挑选愿意接受干预并通过新的策略改变自己学习的个案共十八人作为研究对象。数据收集途径包括实施教学过程中的课堂视频、学习过程性文本、学生测验卷、针对个案的焦点团体访谈、师生网络互动记录文本以及和教师的教学反思等,数据分析方法主要是文本分析法。 通过教学过程数据的扎根理论分析和内容分析,发现科学读写教学策略对“物理化学”知识建构有积极影响:研究个案在学习过程中逐渐体会到应用策略的意义所在;研究个案的科学写作作品、科学阅读文本建构水平和反思写作水平均有所提升。 通过知识建构轨迹图从微观角度分析可知,科学读写教学策略主要影响到学习者“回顾”“获取信息”“报告”“记录”“描述”“阐述”“组织”“比较”“反思”等认知行为。 从宏观角度分析,发现科学读写教学策略对学生“物理化学”知识建构的影响主要体现在以下四个方面:(1)提升对核心概念的聚焦;(2)提供知识关联形成的平台;(3)促进知识迁移;(4)突出外显和互动促进协作建构。联系学科结构理论、科学认识论、建构主义理论可以以上影响作出针对性解释。 本研究融合教学实践和理论应用,设计科学读写教学策略并证明其有效,揭示其对知识建构的影响。在研究的基础上建议教学立足核心概念,加强知识关联,基于深度阅读形成学科结构;倡导知识建构教学需要学习的支架设计和应用;强调知识建构教学中不同维度的读写意义体验;整合多种表征和交流途径发挥科学读写教学策略最佳效果;科学读写教学策略更多提供聚焦于高阶思维培养的提问和任务。

关键词： 高校   物理化学课程   教学改革   实施措施  

摘要： 高校物理化学课程教学改革，是对应用型高校发展要求的响应，尤其作为化学学科的重要基础课程，旨在通过物理变化与化学变化的相互联系的融合研究，掌握化学变化的基本原理及规律，为未来的实践应用奠定重要理论基础。针对高校物理化学课程而言，其具有显著的逻辑性、抽象性和理论性，要实现更高的教学目标和教学效果，势必需要持续推动教学改革与实践，针对性地解决物理化学课程教学困境，适应新时代对学科体系所提出的要求，落实“宽领域、厚基础、强能力、高素质”的培育目标，明确高校物理化学课程的发展改革方向，实现课程教学模式的创新发展。据此，本文结合物理化学课程需求，提出几点教学改革与实践措施，以供参考。

关键词： 物理化学   工科专业   地方院校   课程思政   工科专业  

摘要： 《物理化学》是高校化工环境、材料冶金等工科专业的基础课,具有理论性强、内容抽象、公式多等特点。针对这类理论性强的理工科基础课程,如何有效开展课程思政,是高校教师共同面临的难题。本文结合地方本科院校化工等工科专业的学科特点、地方产业特色和区域文化精神,立足专业培养目标和毕业要求,深度挖掘《物理化学》知识体系中所蕴含的思想价值和精神内涵,并合理修订课程大纲,重构教学内容,改革考核评价方式,将价值塑造融入课程目标和教学大纲。通过教育教学改革,有效提升了《物理化学》课程的育人效果。

摘要： 2023年全国报刊杂志征订工作已经开始，敬请向贵单位推荐订阅2023年《物理化学学报》。《物理化学学报》是由中国科学技术协会主管，中国化学会和北京大学共同主办，北京大学化学与分子工程学院学报编辑部编辑出版的学术刊物。设有“通讯”“展望”“专论”“综述”“论文”等栏目，报导物理化学学科及交叉学科的基础研究及应用研究的创新成果。