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高京发表科研论文

发布时间:2024-07-04 15:29:28

高京发表科研论文

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南京大学科研团队论文发表

作者 胡珉琦

针对一项关于现代人起源的重要研究,中外学者在顶刊上展开了多次争锋。

2021年2月9日,美国《国家科学院院刊》发表了南京大学副教授孙雪峰等研究论文《古DNA和多种测年方式证实现代人晚到达中国南方》。该研究使用古DNA和多种测年方式证实,现代人抵达华南地区不超过六万年。

这一结果推翻了2015年由中科院古脊椎动物与古人类研究所(以下简称古脊椎所)等机构在《自然》发表的研究结论,即“具有完全现代形态的人类早在8~12万年前就已经在华南局部地区出现”。

如今,事件有了最新进展。5月25日,美国《国家科学院院刊》同期刊发3篇来自古脊椎所、牛津大学、德国马普学会等机构多位学者的评论信,质疑孙雪峰论文研究结论的可靠性。他们提出,孙雪峰的研究存在“指鹿为人”、碳十四年代测定不准确、数据分析不规范等多个方面的缺陷。

厦门大学人类学研究所所长王传超认为,解决这一争议问题的终极办法就是古DNA和碳十四测年的重复实验。但这是一项技术要求极高,同时又依赖运气的工作,重复实验并非随时可以完成。这时,科学家或许只能选择继续等待,而这也是古人类研究的一大特点。

争议源起:阻碍非洲起源说的“最后一颗钉子”被拔掉了?

关于现代人起源有两种观点长期对峙:一种是非洲起源说,一种是多地起源说。

前者支持所有现代人都是从非洲走出的智人进化而来,他们在不同地区替代了本土的古老型人类而成为霸主。

后者则认为,智人在走出非洲的过程中不断与当地的古人类发生混血、杂交,共同走上现代人演化的道路。

这一争议的热点地区,恰好就在东亚。 要想拼凑出现代人在 东亚地区的起源与演化的拼图,湖南道县福岩洞扮演着关键角色。

2011年9月至2013年底,古脊椎所、湖南文物考古研究所连续三次对福岩洞遗址进行考古发掘,出土了大量哺乳动物化石,其中最引人注目的就是47枚古人类牙齿。

经科研人员测定,具有完全现代形态的人类早在8~12万年前就已经在华南局部地区出现了。2015年10月15日,《自然》发表了古脊椎所刘武、吴秀杰等所做的这项工作。

当时,福岩洞人年代的推测主要依靠两方面证据。

首先,在地层中,除非有过大的扰动,一般总是年轻的层位在上面,古老的层位在底下。如果化石层位于中间,那么它的年龄也就介于上下地层的年代之间。于是,科学家对化石埋藏的上下地层进行了铀系测年,结果显示它的范围在 8~12万年前。

其次,从生物地层学分析,和这些人类牙齿同在一起的动物群组成呈现出了晚更新世早期的特点。吴秀杰解释,动物群里发现了很多绝灭物种,都是在距今13万年以前的。他们还对一枚动物牙齿进行了碳十四测年,结果已经接近检测上限。

这项研究对于探讨现代人在欧亚地区的出现和扩散具有重要意义。

在经典的非洲起源论中,非洲以外的所有现代人都是5~10万年前走出非洲的一小群祖先的后代。

根据已有的化石证据,最早的现代人在西亚和欧洲出现的时间位于4.5万~5万年前。由于古人类化石非常稀有,东亚地区是否存在5 10万年前的早期现代人,始终没有确切的证据。

如果福岩洞人的年代推定属实,他们在东亚大陆出现的时间就比到达西亚和欧洲的现代人早至少3.5~7.5万年,那么福岩洞人的祖先来自何方?他们还是5~10万年前走出非洲的一小群祖先的后代吗?或者他们是更早出走的那一拨?他们和东亚大陆早期古人类有过广泛的基因交流吗?问题变得错综复杂起来。

然而,2021年2月9日,美国《国家科学院院刊》发表了南京大学孙雪峰等人的论文,又把这一问题拉回到了原点。

2019年,他们在福岩洞新找到了两枚“人类牙齿”和多枚哺乳动物化石。

这一次,他们用了更为直接的方法,也就是对“人类牙齿”进行了古DNA提取、测序,建立了人群关系的系统演化树,同时对“人类牙齿”和动物牙齿进行了碳十四测年。

根据这两项测定结果,他们得出了福岩洞人距今仅有9000多年 历史 的结论。论文最终作者、复旦大学生命科学学院教授李辉在复旦大学官网的报道中表示,“阻碍非洲起源说的‘最后一颗钉子’被拔掉了”。

对同一地点人类化石和古脊椎动物化石分析得到的年代推定结果,整整相差了一个数量级,究竟哪一个更接近 历史 的真实?

争议一:指鹿为人?

古人类学家要想还原人类演化的路径,会依靠很多不同的方法和技术,从古生物学、古人类学,到考古学、地质学、埋藏学、测年技术以及古DNA技术等。

其中,田野发掘、化石的功能形态鉴定可以说是古生物和古人类研究的立身之本。推翻刘武等研究结论的最主要证据来自孙雪峰等2019年在福岩洞发现的两枚“人类牙齿”,编号分别为FY-1HT和FY-2HT。

但前提是,这两枚牙齿必须与当年的47枚来自同一地层层位,从尺寸上形态上也都是同一类型,才能进行测年比较。

但刘武等在质疑文章中指出,这篇论文除展示了一张低分辨率照片外,没有提供“人类牙齿”发现具体位置的准确信息,也没有这两枚牙齿任何的形态、尺寸等解剖学信息,更没有指出与此前福岩洞发现的47枚牙齿中的哪一类、具体哪一件标本进行了比对。

“这样的研究论证方式在古生物学、古脊椎动物学、古人类学、解剖学研究中是非常罕见的。”刘武直言。

而这篇文章最大的争议点恰是来自化石的形态学鉴定。

质疑文章提出,经过多位第四纪哺乳动物专家鉴定,这两枚“人类牙齿”中编号为 FY-2HT的牙齿并非人类牙齿,而是草食类动物——鹿类的门齿。

西班牙人类古生态与 社会 进化研究所古生物学、动物考古学和埋藏学专家Palmira Saladié 在接受《中国科学报》采访时表示:“FY-2HT的牙根和牙冠的形态以及磨损模式,均不符合人属的鉴定,而属于鹿科。因此,所有来自该标本的分析和解释(年代测定和古DNA)都必须非常谨慎地进行,并拒绝它们。在我看来,鉴定是错误的,所以我们不能考虑结果。我不明白DNA分析怎么没发现这个错误。”

孙雪峰和李辉向《中国科学报》表示,原论文中化石形态学鉴定由澳大利亚新南维尔士大学Darren Curnoe负责。但截至发稿,Darren Curnoe没有就这个问题向《中国科学报》作出回复。

他在美国《科学院院刊》发表的回应文章中只是解释,FY-HT-2齿冠釉质大多磨损,无法复原出与鹿牙齿相似的磨耗特点。但刘武表示,尽管FY-HT-2存在齿冠釉质磨损,这枚牙齿与鹿牙齿相似的舌侧磨耗特征仍然是清晰可辨的。

孙雪峰等在福岩洞发现的牙齿与鹿牙对比.(A) 引自Sun et al. 2021;(B)道县2012年出土的鹿类门齿;(C)附着在现生鹿下颌骨上的门齿及犬齿

孙雪峰等在福岩洞发现的牙齿同人类牙齿对比. (A)引自Sun et al. 2021;(B)道县2012年发现的人类下颌侧门齿;(C)黄龙洞2006发现的人类上颌中门齿

争议二:“人类”线粒体古DNA从哪儿来?

假设编号为 FY-2HT的人类牙齿实为鹿牙,为何能从中提取出“人类”线粒体古DNA?这是这项研究最为吊诡的地方。

这枚被检测出人类DNA的牙齿是否有可能被污染?原论文第一作者、负责古DNA检测的复旦大学 科技 考古研究院副研究员文少卿在接受《中国科学报》采访时表示,始终对数据负责。

王传超向《中国科学报》解释,古DNA的两端会出现碱基的变化,跟现代人的DNA序列有明显区别。根据论文公开的数据显示,孙雪峰等人确实提取出了古DNA并且对污染率进行了科学评估,结果是污染率很低,达到了古DNA的数据质量要求。

值得一提的是,随着人类DNA 获取技术的提升,在土壤、粪便、湖芯,甚至是空气样本中科学家也能检测出人类DNA,这些DNA 通常被称为环境DNA或者沉积物古DNA。

FY-2HT的“人类”线粒体古DNA究竟从哪儿来,似乎还是蒙上了一层阴影。

争议三:碳十四测年存在污染?

碳十四测年法是确定化石标本年代的一把利器,这是最著名的一种放射性测年法。但是,碳14测年有个致命弱点,无法用在非常古老的材料测年上,因为碳十四衰变后剩余量会越来越小,最后小到很难精确计算。

2015年,负责福岩洞动物牙齿化石碳十四测年的北京大学考古文博学院教授吴小红告诉《中国科学报》,当时研究团队测定的年代为39000年左右。

孙雪峰认为,这个数据可以用来说明福岩洞遗址现代人出现的时间,支持其团队观点:现代人到达中国南方的时间不早于6万年。

但吴小红解释,这个数据接近北大加速器质谱碳十四实验室有机物碳十四年代测定的高限,再加上福岩洞遗址骨质样品保存不佳,这一结果不适合用作绝对年代的描述。

与之相对的,孙雪峰等对“人类牙齿”和动物牙齿的碳十四测年显示,其年代不足1万年,与“人类”线粒体古DNA推断的年代相匹配。吴小红认为,这种巨大的差异很可能是污染导致的。

“越古老的样品,污染的风险极高,需要非常小心谨慎。”吴小红说。

首先是样品的前处理过程需要严格的控制和把关。孙雪峰等的文章中没有对碳十四测年样品的前处理过程进行清楚的描述,这在很大程度上影响了对测年结果可靠性的判断。

其次,加速器质谱碳十四的测年物质要可靠。孙雪峰等文章中大多数样品采用的是骨骼或者牙齿的总有机碳(TOC)进行年代测定,但在考古年代研究领域,通常不用这种方法,而是按惯例提取出骨骼或者牙齿中的原生组分—胶原蛋白或明胶蛋白进行年代测定以尽可能排除外来碳的影响,从而得到可靠的碳十四年代数据。其中,检验胶原(明胶)蛋白质量的是碳氮比值(C/N)。

孙雪峰等人的文章中仅有一份胶原蛋白样品按照国际惯例测定了碳氮比值,而且它的数值(46.2) 远高于牙齿和骨骼化石中适合于碳十四年代测定的有机胶原蛋白的C/N比值(2.9~3.6)。吴小红认为,这个结果应该摒弃。

“事实上,该文中绝大多数胶原蛋白测年样品都没有提供C/N比值,那么这篇文章中的所有胶原蛋白的样品没有证据证明是排除了外来污染物影响的。”吴小红强调。

英国牛津大学同位素加速器中心主任Tom Higham和德国马普学会人类 历史 科学研究所Katerina Douka在同期发表的评论信中,同样提出了这些问题。

Tom Higham在接受《中国科学报》采访时,质疑了孙雪峰等在论文中没有使用目前最可靠的碳十四测年法,尤其是他们提取的胶原蛋白含量非常之低,会造成年龄被显著低估。他表示,“样品实际年龄很可能比他们的测年结果要老得多”。

遗憾的是,孙雪峰等发表的回信对其在原文中使用的样品前处理方法依然没有给出具体的描述。

解决争议的终极办法只有“重复实验”

就目前来看,福岩洞人类化石的确切年代是什么,现代人在东亚地区起源与演化的 历史 如何还原,远未到盖棺定论的时候。

王传超认为,解决眼前这一争议问题的终极办法只有重复实验。既然化石样品来自同一洞穴,双方团队可以提供部分样品,由第三方机构进行重复实验。

不过,重复实验在现阶段还很难实施。仅是学术争议,没有机构可以强制要求进行重复实验。

而且,古人类研究的重复实验是有条件的。

原论文中,南京大学、复旦大学获得的古人类牙齿化石非常有限,碳十四测年和牙根的古DNA检测又都是有损检测,很难进行二次实验。

因此,孙雪峰等在回应文中也指出,希望古脊椎所能对其保存的福岩洞人类牙齿样品开展古DNA检测和碳十四测年,从而进行结果比对。

事实上,2015年,刘武等就委托专家对其中一枚保存最为完好的人类牙齿提取古DNA,但由于南方洞穴的气候条件非常不利于化石保存,这一尝试并未成功,碳十四测年也只在一枚动物牙齿中完成。

可见,这是一项技术要求极高,同时又依赖运气的工作,重复实验并非随时可以完成。“这时候就只能等待。”王传超认为,这也是古人类研究的一大特点。

刘武告诉《中国科学报》,福岩洞人类牙齿的古DNA检测会在合适的时间排上日程,毕竟五年过后,古DNA提取技术已经有了新的进展。

古人类研究历来是个热闹的江湖。自从古DNA技术横空出世,解决了许多原先僵持不下的争议问题,为这门学科的研究打开了一个全新的局面。

但是目前,受到人类化石数量、保存条件以及技术进展的局限,还没有一种方法可以一统江湖,而是需要依靠多种技术方法相互印证,尽可能构建一个完整的证据链条。

不同的研究方法得到的证据等级有所不同,但相同的是,每项研究在野外化石采集及实验室处理,研究数据采集、分析与论证等方面都应该严格按照学术流程和规范进行。

在这一学术争议事件中,还需要强调的是,研究程序的合理、合规是得出可靠结论的基本前提。刘武和吴秀杰指出,合作交流、质疑争论能促进科学研究工作,推动学科发展。“但在大力提倡学术规范、科研诚信的今天,一篇从样品数据采集、测试分析、论文写作都存在瑕疵的‘顶刊’论文,需要引起国内学术界的反思。”

参考文献:

doi:10.1038/nature15696

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第一作者:钮峰

通讯作者:涂文广教授,周勇教授,邹志刚教授

通讯单位:香港中文大学(深圳)理工学院

论文DOI:10.1021/acscatal.2c00433

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通过醇和胺的C-N偶联是工业中合成不同有机胺的重要反应路径,而这一过程往往需要在高温高压等较苛刻的条件下进行。因此,本工作中,我们设计了一种基于CdS-Pd单原子体系催化剂用于实现高效可光催化苯甲醇和苯胺的C-N偶联反应获得二级胺。通过实验研究发现,Pd与CdS表面的悬挂S原子原位配位形成单一Pd-Sx物种。该催化剂的可见光催化C-N偶联的二级胺产率接近100%,同时释放出可观的绿色能源氢气(11.8 mmol gcat-1h-1)。机理研究与分析表明,苯甲醇上脱去的H+较容易吸附到长寿命的•Pd-Sx中间态物种而形成H-Pd-Sx中间体。最后,吸附的H又容易脱附,加成到苄烯苯胺的N上,实现氢转移,完成亚胺的加氢过程,得到最后所需要的二级胺产物苄基苯胺。整个过程中,H的吸脱附可以循环进行,因此Pd-Sx配位物种可以作为有效的氢转移的桥梁实现加氢过程。此外,该光催化剂体系具有较好的底物适应性和循环能力。这一工作将为温和条件下实现高效C-N偶联反应提供一种新的思路。

背景介绍

随着工业的发展与进步,有机胺广泛应用于农业、医药、家居、军工等领域,其合成在工业生产中有着越来越明显的重要性。基于“借氢机制(氢转移)”,通过胺与醇的C-N偶联被认为是一种较为绿色的合成有机胺的理想路径。这一过程主要包含醇的脱氢、亚胺的生成以及亚胺的加氢这三个主要步骤。其中醇的脱氢是整个反应的决速步骤。然而,基于这一机制,在热催化合成有机胺的过程中存在一些缺点:(1)醇的脱氢决速步骤需要较苛刻的条件(高温高压);(2)易发生过度偶联,使得产物分布广,不利于分离;(3)反应中使用的催化剂多为高负载量的负载型贵金属催化剂(如Ru/Al2O3、Pd/Al2O3、Rh/Al2O3等),成本较高。因此,开发出高效低成本的催化剂具有一定的挑战性。近年来,利用光氧化还原技术实现常温常压条件下有机胺的合成引起了广泛的关注。研究者们通常采用一些贵金属有机配合物分子进行均相催化反应,但反应后催化剂难以进行分离,在实际工业生产中难以大规模应用。而采用传统的半导体光催化剂进行多相催化反应,则可以有效解决这一难题。然而仅仅依靠半导体本身的催化能力,很难达到较高的催化活性,实际应用过程中往往需要通过负载一些助催化剂或表面修饰来提高催化性能。近些年,单原子催化被认为是较有前景的领域。单原子催化剂由于其独特的电子结构和较高的原子利用效率而表现出优异的催化活性,被广泛应用于光催化水分解制氢、二氧化碳还原、固氮和有机物降解等领域。因此,我们课题组设计开发了一种单原子光催化剂CdS-Pd,该催化剂可以有效地用于可光催化苯甲醇和苯胺的C-N偶联反应,获得具有工业应用价值的二级胺。同时反应过程中释放出清洁能源氢气。这一工作将为温和条件下实现C-N偶联反应提供一种新的途径。

本文亮点

1. 本工作通过Pd原子与CdS表面的悬挂S原子原位配位制备了一种CdS-Pd的单原子光催化剂,该催化剂可以实现高效可光催化苯甲醇和苯胺的C-N偶联反应获得近100%产率的二级胺N-苄基苯胺以及较高的产氢活性。

2. 实验和理论计算结果证实了,相比于Pd纳米颗粒助催化剂负载的CdS,单一Pd-Sx物种能够有效捕获光生电子,使其具有较长的寿命,而且氢在Pd-Sx物种上的吸脱附能力较强,从而可以作为有效的氢转移载体实现亚胺的加氢,得到目标产物二级胺。

3. 此外,在优化的反应条件下,该催化剂具有较好的稳定性,以及对不同醇类和取代胺的C-N偶联反应具有良好的底物适应性。

图文解析

本工作中,首先我们采用水热法制备了六方晶系结构,颗粒尺寸约为50 nm的纳米球形CdS,其带宽约为2.2eV( 图1 a )。随后,在可见光催化C-N偶联反应过程中加入PdCl2溶液原位合成单原子催化剂CdS-Pd SAs。作为对比,我们采用浸渍法制备了Pd纳米颗粒负载的CdS催化剂CdS-Pd NPs。从图1b的XPS图谱可以看出,光催化反应后的CdS中事实上存在Pd元素。结合能336.7 eV和342 eV分别对应Pd 3d5/2和Pd 3d3/2,表明Pd以2+价态形式存在,而非单质态。因此,我们可以初步推测反应后,Pd与CdS进行了一定的配位。

图1 CdS和CdS-Pd SAs单原子催化剂的结构表征

为了进一步确定反应后Pd的状态以及与CdS的配位环境,我们对样品分别进行了X射线精细结构谱(XAFS)和球差电镜的表征。从图3d可以明显看出反应后的CdS表面上的Pd物种既不是二价态也不是单质态,而是以一定配位的形式存在。通过对样品CdS-Pd SAs中Pd的K-edge EXAFS图谱进行拟合,可以得出Pd-S的配位数约为3( 表1 )。通过进一步的HAADF-STEM和 EDS mapping图可以清晰地看到Pd以单原子形式均匀地分散在CdS上( 图1 e-j )。因此,综合上述表征方法,我们可以初步证实在光催化反应过程中,PdCl2以Pd-S配位键的形式将Pd原子锚定在了CdS载体上,为光催化反应过程提供一定的反应活性中心。

表1 样品CdS-PdSAs中Pd的EXAFS拟合数据

CN , coordination number; R , bonding distance; σ 2, Debye-Waller factor; Δ E0 , inner potential shift.

为了进一步研究CdS表面的S对催化反应的影响,我们首先对CdS进行了不同程度的表面修饰(400 oC高温煅烧:CdS-400;双氧水表面腐蚀:CdS-H2O2)。从图2 a可以看出,采用不同的手段修饰后,CdS的结构并未发生明显变化,仍然是结晶度较好的六方晶系结构。CdS、CdS-400和CdS-H2O2的能带分别为2.21、2.12和2.2 eV,即能带结构也未发生明显变化( 图2 b )。从图2 c和d可以明显看出, CdS通过表面修饰之后,Cd 3d和S 2p均向高结合能偏移,而且偏移程度随着修饰强度增强而增大。这主要是由于CdS修饰后产生了一定的S空位,使得表面部分Cd暴露,从而改变了Cd和S的周边电子云密度分布。

图2 修饰前后的CdS结构表征

在常温常压氮气气氛下,我们采用苯甲醇和苯胺的C-N偶联作为模型反应对所制备的催化剂进行可见光催化活性评价( 图3 )。首先我们确定了暗反应、无光催化剂以及只有PdCl2的情况下该模型反应没有任何催化活性。在添加PdCl2的条件下,我们对不同的半导体光催化剂进行了活性筛选,发现只有CdS能有效地进行光催化C-N偶联生成二级胺(N-苄基苯胺),产率高达1.48 mmolgcat-1h-1。而其他半导体催化剂在反应过程中只能催化生成亚胺(N-苄烯苯胺),且普遍产率较低(< 0.12 mmolgcat-1h-1)。

图3 可见光催化C-N偶联反应的催化剂活性筛选

基于CdS对该反应的催化特异性,我们测试了其苯胺的转化率及产物的选择性随时间的变化曲线。从图4b可以看出,随着反应的进行,苯胺的转化率不断提高,当反应达到16 h后,底物苯胺几乎完全转化。随着反应的进行,亚胺(N-苄烯苯胺)的选择性不断降低,而二级胺(N-苄基苯胺)的选择性不断提高,表明反应过程中逐步完成了亚胺的加氢过程。

为了进行对比,我们采用浸渍法提前将Pd纳米颗粒沉积到CdS表面上并进行光催化活性评价。从图4c我们发现,沉积Pd纳米颗粒的CdS催化活性是单一CdS活性的4倍。这主要是由于Pd纳米颗粒作为助催化剂可以有效地提高光生载流子的分离效率。而当我们将Pd以PdCl2的形式加入到反应体系中时,催化活性是单一CdS活性的约6.4倍。而且产物中出现了二级胺(N-苄基苯胺)。也就是说反应体系中原位加入PdCl2能够促使该反应完成加氢过程,有效实现氢转移。因此,我们可以初步推断,光催化反应过程中Pd和CdS表面悬挂的S作用产生的Pd-S物种对实现C-N偶联起到至关重要的作用。此外,在反应过程中我们可以检测到氢气的生成。从图4d可以看出,单一的CdS在反应过程中几乎不产生氢气。而CdS-Pd SAs产氢速率达到11.8 mmolgcat-1h-1,是CdS-Pd NPs的约2.7倍,CdS的近10倍。这一结果也与苯胺转化率的差异相吻合。

为了验证CdS表面的S与Pd作用形成了Pd-S物种,从而提高了C-N偶联反应性能,我们对CdS进行了不同程度的表面修饰。从图4e可以明显看出,随着表面修饰的增强,反应的活性逐渐下降,而且产物苄基苯胺的选择性也随之下降。这也就意味着,当我们遮盖或者去除部分S位点,反应底物在催化剂表面的吸附性能下降,从而导致反应活性降低。另一方面,由于S空位的增多,使得Pd原子很难与S进行配位产生Pd-S物种,从而无法完成C-N偶联反应过程中的氢转移,也就不能得到饱和的目标产物二级胺N-苄基苯胺。

图4 可见光催化活性评价

为了研究在光催化反应过程中不同自由基的作用,我们进行了捕获实验。从图5a可以看出,当体系中加入叔丁醇和苯醌来分别捕获•OH和•O2-,反应的活性基本没有发生变化,说明体系中的这两种自由基对反应基本没有贡献。而当体系中加入草酸铵捕获光生空穴后,产率降为原来的1/3,加入过硫酸钾捕获光生电子后,产率降为0。这一结果表明,光生电子和空穴在光催化C-N偶联反应中有着重要作用。

接着,我们采用超快光谱(TAS)来揭示光照下不同催化剂的载流子衰减动力学。图5b为不同催化剂的瞬态吸收图谱以及拟合曲线。采用双指数模型拟合可获得两个弛豫时间τ1和τ2。Τ1代表导带电子到过渡态的捕获时间,τ2代表电子与过渡态或者价带空穴复合的时间。通过对比,CdS-Pd Sas的弛豫时间明显要长,也就是说,在反应过程中CdS表面单原子态的Pd配位物种Pd-Sx可以作为电子陷阱来捕获光生电子,提高载流子的分离效率,从而加速光催化C-N偶联。另外,从CdS导带转移到过渡态Pd-Sx中间体的弛豫时间更长,更利于氢原子的吸附。

为了研究不同催化剂对于H的吸附以及转移能力,我们做了一个N-苄烯苯胺加氢的模型反应。从图5c可以明显看出,对于单原子态的CdS-Pd SAs催化剂,N-苄烯苯胺较容易实现光催化加氢到苄基苯胺产物,而单质态的Pd(CdS-Pd NPs)催化剂无法实现加氢过程。这也证明了单原子态的CdS-Pd SAs可以很好地吸附H并完成氢转移,从而实现加氢过程得到二级胺N-苄基苯胺。

基于以上的机理表征分析,我们可以给出一个可能的反应机理和路径( 图5d )。光催化反应前,当体系中同时加入CdS催化剂和PdCl2时,PdCl2很快吸附到CdS表面上与表面悬挂的S原子形成Pd-Sx的配位物种。当CdS被光激发后,表面的Pd-Sx配位物种可以有效捕获光生电子,形成•Pd-Sx中间态物种,同时光生空穴能够脱去苯甲醇上的质子,将其氧化成苯甲醛。然后生成的苯甲醛与苯胺进行亲核加成反应,产生醇胺中间体。由于醇胺非常不稳定,很快脱水生成亚胺。苯甲醇上脱去的H+较容易吸附到长寿命的•Pd-Sx中间态物种形成H-Pd-Sx。最后,吸附的H又容易脱附,加成到N-苄烯苯胺的N上,实现氢转移,完成亚胺的加氢过程,得到最后的目标产物N-苄基苯胺。整个过程中,H的吸脱附可以循环进行,因此Pd-Sx物种可以作为有效的氢转移的桥梁实现加氢过程。此外,过多的吸附H可以从H-Pd-Sx上脱附产生H2。

图5 反应机理表征及推测

我们通过DFT模拟计算进一步验证了为什么单原子态的CdS催化剂CdS-Pd SAs可以很好地实现光催化C-N偶联生成N-苄基苯胺( 图6 )。结合EXAFS拟合结果,我们以Pd-S三配位的形式作为计算模型来研究H吸附和反应过程。对于催化剂CdS-Pd NPs来说,在位点1和2的H吸附能分别为-2.801 eV和-2.936eV,而催化剂CdS-Pd SAs的H吸附能为-1.954 eV。通过过渡态能量搜索,可以得出,Pd纳米颗粒负载的CdS-Pd NPs的加氢能垒为0.38 eV,而对于单原子态的CdS-Pd SAs来说,由于形成的Pd-Sx配位物种能够有效地吸附和脱附H,因此脱附的H直接加成到亚胺的不饱和C上,完成加氢过程。

图6 DFT模拟计算

总结与展望

总的来说,我们设计开发了一种CdS-Pd单原子光催化剂,该催化剂可以有效地用于可光催化苯甲醇和苯胺的C-N偶联反应,获得具有工业应用价值的二级胺。同时反应过程中释放出清洁能源氢气。结合实验以及模拟计算,我们推测Pd在光催化反应过程中与CdS表面的S原位配位形成Pd-Sx中间物种,而这一中间体可以提高载流子分离效率以及有效地进行H的吸脱附,构成Pd-Sx •Pd-Sx H-Pd-Sx Pd-Sx的循环过程,实现氢转移,完成亚胺的加氢过程,得到目标产物N-苄基苯胺。整个过程中,Pd-Sx中间体可以作为有效氢转移的桥梁实现加氢过程。此外,该催化剂体系具有较好循环能力和底物适应性。这一工作将为温和条件下实现C-N偶联反应提供一种新的思路。

作者介绍

钮峰 ,博士毕业于法国里尔大学(法国国家科学研究中心)(导师Andrei Khodakov教授和Vitaly Ordomsky研究员)。2020年8月加入香港中文大学(深圳)邹志刚院士团队从事博士后研究。以第一作者在ACS Catalysis,Green Chemistry,Solar Energy Materials & Solar Cells等期刊上发表SCI论文12篇。目前主要研究方向为多相热催化、光催化能源转化。

涂文广 ,2015年获南京大学物理学院博士学位。2015至2020年在新加坡南洋理工大学从事研究博士后研究工作。2020年6月起任职于香港中文大学(深圳)理工学院。主要从事于低维光电材料表界面结构的精准设计与构建,实现太阳能驱动下的小分子转换,取得了一系列重要成果,迄今为止已在Nature Communications, Advanced Material, Advanced functional Material, ACS Catalysis, ACS Energy Letters等期刊上发表论文70余篇, SCI被引超过8000次,H指数为44。

周勇 ,香港中文大学(深圳)兼职教授。2009 年9月被南京大学物理学院按海外人才引进回国工作,加入南京大学环境材料与再生能源研究中心,聘为教授。主要从事:1、人工光合成二氧化碳转化为可再生碳氢燃料;2、光电材料的设计和构建;3、高效、低成本钙钛矿太阳能电池产业化应用研究。近五年来,以第一作者或通讯作者在 国际重要期刊上发表论文超过 60 篇,其中包括 J. Am. Chem. Soc. (1 篇)、Adv. Mater. (2 篇)、Adv. Funct. Mater. (1 篇)和 Nano Lett. (1 篇),受邀以第一作者或通讯作者撰写 2 篇综述论文。近五年论文他引超过 1600 次,5 篇论文入选 Web of Science 统计的“过去十年高被引论文”, H 指数 46。光催化还原 CO2 研究成果作为主要研究内容,荣获 2014 年国家自然科学二等奖(排名第四)。主编三本英文专著(Springer 等出版社出版)。多次受邀在国内外相关学术会议上做邀请报告或主持会议。担任 Current Nanoscience 中国地区编辑和 Mater. Res. Bull.编委。主持承担国家基金委、 科技 部 973 项目等项目。入选教育部新世纪人才(2010 年)、江苏省首届杰出青年基金(2012年)。

邹志刚 ,2003年凭为教育部“长江学者奖励计划”特聘教授,国家重点基础研究发展计划“973”项目首席科学家,教育部创新团队带头人,2015 年当选中国科学院院士,2018 年当选发展中国家科学院院士。主要从事新型可再生能源与环境材料方面的研究,邹院士在光催化领域做出了卓越的贡献,被媒体称为“光催化领域的前行者”。邹志刚院士已在 Nature等国际一流期刊上发表论文 602 多篇,H指数 74,连续 5年入选爱思唯尔材料科学高被引学者,是材料领域有国际影响力的学术带头人。申请中国发明专利 200 多项,其中 83 项已获授权;承担两届国家重大基础研究计划 973 项目、国家自然科学基金中日合作项目、 科技 部国际合作重大项目等多项科研项目;获国家自然科学二等奖 1 项、江苏省科学技术一等奖 2 项,作为第一完成人获第 46 届日内瓦国际发明展金奖及阿卜杜拉国王大学特别奖各 1项。

南京邮电大学科研论文发表

他平时特别的喜欢写作,并且他也非常喜欢文字类的事情,并且也有爱阅读的好习惯,平时也有积累的习惯,会把一些好的句子积累下来,慢慢的就写了很多的论文。

很多大学都有着特别多的人才,这些人才是国家的栋梁,为我们社会做出了很多的贡献,是我们永远的骄傲,学术方面需要这种常青树,一代代的孕育显得尤其重要,南京邮电大学是一个十分不错的重点大学,它的桂冠教授三年之内写了三百多篇的论文,网友们都表示十分的惊讶,这种成就真的是太惊人了,让人觉得非常的不可置信,我觉得他之所以可以做到这样的成就,离不开很好的学习规划,和个人很好的自制力,这些都是完成论文的必要条件,下面我将一一解释。

一、良好的自律性。

很多伟大的学者都离不开两个字——自律,自律对于一个人的成功是十分重要的,一个人只有严格要求自己才能真的成功,这是一种人尽皆知的事情,这个桂冠教授之所以可以做到如此高效率的产出,我觉得一个重要原因就是他非常的自律,这一点做得非常的好。

二、良好的规划。

伟大的成功是离不开正确的学习计划的,人做事是需要一定的条理的,这是极其重要的一个条件,南京邮电大学的教授本身学历就是比较高的,肯定是有自己的学习计划和工作计划,每天有条不紊的完成,是非常棒的一件事,值得广大同学去向老师学习,让自己变得更加有计划,有规律,成功的概率也会大大增加,不可以盲目的去努力,要搞好效率这个重要的问题。

总而言之,伟大的成果离不开一个人日常的辛勤付出,书山有路勤为径就是这个道理,我们每个人都应该砥砺前行,找到自己的学习节奏,这才是最应该做得事情,不可以荒度年华,要向这位桂冠教授一样,让自己有价值。

估计此人是文科的吧?

南京邮电大学学术榜发刊要求:1、论文必须符合国家标准,规范可接受的原创性和学术内容。2、论文应有明确的研究目标和明确的研究思路,力求切实可行、有效率高。3、论文要具有较强的实用价值,形成一定的前瞻性。4、论文应充分反映出作者自身学术水平研究能力,由独立作者完成。5、论文不得通过有意抄袭、欺诈、抄袭他人来谋取学术上的利益。

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