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双电子氧化还原反应:提升水系锌/锰电池性能
nanomicrolett 2020-7-31 14:23
High-Performance Aqueous Zinc-Manganese Battery with Reversible Mn 2+ /Mn 4+ Double Redox Achieved by Carbon Coated MnO x Nanoparticles Jingdong Huang, Jing Zeng, Kunjie Zhu, Ruizhi Zhang*,Jun Liu* Nano‑Micro Lett.(2020) 12:110 https://doi.org/10.1007/s40820-020-00445-x 本文亮点 1. 碳包覆的MnO x 纳米颗粒 作为水系锌/锰电池的正极材料实现了可逆的Mn 2+ /Mn 4+ 双电子氧化还原反应 。 2. 配合含锰电解液,MnO x 正极材料表现出 超高的能量密度 以及 超长的循环寿命 。 3. 本文通过电化学分析以及材料表征详细地讨论了MnO x 电极的 电化学反应机理 。 研究背景 锰氧化物是水系锌离子电池的理想正极材料,但是目前大部分锰基正极材料只能实现可逆的单电子氧化还原反应(Mn 3+ /Mn 4+ ),提供的储能容量较低,无法满足便携式以及大型固定式储能系统的需求。因此,开发基于可逆Mn 2+ /Mn 4+ 双电子氧化还原反应的锰基储能材料具有很大的吸引力。 内容简介 中南大学刘军教授等将碳包覆的MnO x 纳米颗粒用作水系锌/锰电池的正极材料实现了超高的比容量以及超长的循环寿命。在200 mA/g的电流密度下,碳包覆MnO x 正极在经过75次循环后,放电比容量达到了714.7 mAh/g;在1 A/g的电流密度下,该正极可以充放电循环1500次。并对该电极材料电化学反应过程进行了详细地研究,结果表明该材料在充放电过程中实现了Mn 2+ /Mn 4+ 双电子氧化还原反应。在充电过程中,碳包覆的MnO x 纳米颗粒以及电解液中的Mn 2+ 会被电化学氧化生成低结晶度的Birnessite型MnO 2 ;在放电过程中低结晶度的Birnessite型MnO 2 先转变为单斜相MnOOH以及尖晶石相ZnMn 2 O 4 ,在进一步放电后两种中间相都被还原为Mn 2+ 溶解到电解液中。可逆的Mn 2+ /Mn 4+ 双电子氧化还原反应为开发低成本、高能量密度的可充电水系电池提供了可借鉴的思路。 图文导读 I 材料结构表征 采用水热法合成了α-MnO 2 ,而后将α-MnO 2 碳热还原合成了碳包覆的MnO x 纳米颗粒,根据煅烧时间不同分别标记为:MnO x -1,MnO x -2或MnO x -3。如图1b所示,碳热还原得到的产物的衍射峰与MnO 2 以及MnO的标准PDF卡片非常匹配,表明其为两相复合材料。同时,X射线衍射结果表明,随着在氩气气氛中煅烧时间的增加,碳热还原产物中MnO的比例逐渐增加而MnO 2 的比例则逐渐减少。为了进一步分析MnO x 中的锰元素的存在状态,通过X射线光电子能谱(XPS)对样品进行了分析,结果如图1c所示。碳包覆的MnO x 纳米颗粒的Mn 2p高分辨率XPS光谱显示了四个峰,分别对应于Mn 2+ 和Mn 4+ 。X射线光电子能谱的分析结果进一步证明碳包覆的MnO x 纳米颗粒中含有MnO 2 和MnO。在MnO x -1、MnO x -2和MnO x -3中,Mn 2+ 的比例分别约为64.1%,71.4%和79.3%。采用拉曼光谱对碳包覆的MnO x 纳米颗粒进一步分析,结果如图1e所示。位于1332和1586 cm −1 处的宽峰可以分别归因于碳的D峰和G峰,其中D峰的强度较高表明样品中的碳缺陷较多。 图1.(a)Zn/MnO x 电池反应机理示意图;(b)MnO x 的XRD谱图,(c,d)C 1s 和Fe 2p的XPS谱图;(e)MnO x 和α-MnO 2 的拉曼谱图。 如图2a 所示。透射电子显微镜图片显示合成的α-MnO 2 前驱体具有均匀的棒状形貌。高分辨率透射电子显微图像(图2b)显示其相邻晶面的面间距为0.49 nm,对应于α-MnO 2 的(200)晶面。由α-MnO 2 前驱体碳热还原得到的碳包覆MnO x 纳米颗粒的形貌如图2c所示。透射电子显微镜图片显示大部分的MnO x 纳米颗粒分散在碳材料中,其颗粒大小约为50 nm左右,但也存在较大的颗粒。较为细小的粒径可以使MnO x 纳米颗粒与电解液形成更好的接触,从而利于离子的迁移。同时,包覆的碳材料为电子迁移建立了良好的导电网络。从高分辨率透射电子显微图像(图2d,e)可以看出MnO x 中含有两套晶格条纹,其相邻晶面的面间距分别为0.24和0.22 nm,分别对应于MnO 2 的(100)平面和MnO的(200)平面,同时可以看出MnO分布在MnO 2 的外层。MnO x 的的局部元素面分布图像同样表明了细小的MnO x 纳米颗粒良好的分布于碳包覆材料中。 图2. (a)α-MnO 2 的TEM图,(b)HRTEM图;(c)MnO x -2的TEM图,(d,e)HRTEM图,(f)元素分布图。 II 电化学性能表征 对于MnO x -2电极,由于Mn 2+ 的电化学氧化,其初始充电容量仅为156.3 mAh/g,在经过75次充放电循环后,MnO x -2电极的比容量达到了714.7 mAh/g(基于正极材料初始质量计算)。应注意到MnO 2 发生Mn 4+ /Mn 3+ 和Mn 4+ /Mn 2+ 氧化还原反应的理论容量分别为308 mAh/g和616 mAh/g,而MnO x -2达到如此高的容量,表明MnO x -2充放电过程中发生的电化学反应可能是基于可逆Mn 2+ /Mn 4+ 反应的双电子氧化还原反应。但是MnO x -2的容量超过了理论容量,其原因可以归结于电解液中Mn 2+ 的添加,电解质中添加的Mn 2+ 也会被氧化为锰氧化物从而参与后续的充放电过程。另外,MnO x -2正极在充放电循环过程中发生比容量逐渐增加的情况。这种现象可能是因为MnO x 中原本电化学惰性的MnO在充电过程中被不断地氧化为具有电化学活性的锰氧化物,进而参与后续的充放电反应,使参与电化学反应的活性物质逐渐增加,从而使MnO x -2正极在充放电循环过程中比容量逐渐增加。如图3b所示,MnO x -2电极具有超高能量密度。在500 mA/g的电流密度下,该电极表现出高达845.1 Wh/kg的能量密度。此外,电化学性能测试还对两种电极材料的倍率性能进行了对比。如图3c所示,在经过10次循环后,MnO x -2电极在电流为0.1 A/g时比容量为844.5 mAh/g。当电流从0.1 A/g逐步增加到1.5 A/g时,MnO x -2电极的比容量分别为844.5、783.6、551.1、226.8、114.8和59.7 mAh/g,并且当电流再次减少到0.2 A/g时,其比容量恢复为863 mAh/g。如图3d所示,与α-MnO 2 相比,MnO x -2电极的能量密度(1158 Wh/kg)和功率密度(1212 W/kg)都要更优。当MnO x -2以1 A/g的电流密度进行充放电时,可以循环高达1500次,并且比容量保持在133.3 mAh/g(图3e)。 图3. MnO x -2和α-MnO 2 的电化学性能(a)0.2 A/g电流密度下的容量对比图,(b)0.5 A/g电流密度下的能量密度对比图,(c)倍率性能图,(d)能量比较图,(e)长循环性能对比图。 III 电化学反应机理 如图4a所示,当电极放电至1.28 V时,纳米片阵列覆盖电极表面;但是,当电极处于完全放电状态时(图4b),电极表面被片状产物覆盖;当电极再次充电至1.55 V(图4c)时,纳米片阵列又再次生成。并且,在进一步充电之后,在完全充电状态下,更多的纳米片被覆盖在电极表面上(图4d)。在充电过程中原位形成的纳米片状结构具有高的比表面积,这可以促进电子传输并缩短离子扩散距离。图4e,f显示了在不同状态下电极的元素能谱图。在完全充电状态下,电极被纳米片覆盖,并且Mn和O元素分布在纳米片上,并且几乎没有Zn元素。相反,在完全放电状态下,Zn元素主要分布在片状物质上,而Mn元素也存在于电极上,这是可能由于电极中存在未被氧化的MnO所致。 图4.(a-d)MnO x -2在不同状态下的非原位SEM图,(e,f)元素分布图。 MnO x 电极在不同充放电状态下的非原位X射线衍射图如图5a所示。MnO x 电极在充放电过程中的电化学机理较为复杂。首先,在完全放电状态(0.80 V),电极的X射线衍射峰对应Zn 4 SO 4 (OH) 6 ·5H 2 O相;在进一步充电至1.55 V时,从XRD中可以观察到尖晶石相ZnMn 2 O 4 和单斜相MnOOH的出现。但是完全充电状态(1.80 V),两种中间相ZnMn 2 O 4 和MnOOH都转变为Birnessite型MnO 2 。当电极再次放电至1.28 V时,尖晶石相ZnMn 2 O 4 和单斜相MnOOH的衍射峰再次出现在XRD谱图中;而在再次放电至完全放电状态时,从XRD谱图中可以看到Zn 4 SO 4 (OH) 6 ·5H 2 O的再次生成。X射线光电子能谱进一步分析了电极在充放电过程中变化,如图5b,c所示。Mn-O键和Mn 3s峰的强度在充电过程中都会增加,而在随后的放电过程中这种趋势会逆转。如图5d所示,我们还通过ICP-OES分析了不同阶段电解液中Mn和S元素的摩尔比,以更有力地证明Mn 2+ /Mn 4+ 双电子氧化还原反应。在电极被充电至1.55 V时,电解液中Mn和S元素的摩尔比大幅下降,证明了Mn 2+ 离子被氧化为单斜相MnOOH和尖晶石相ZnMn 2 O 4 ,在随后的充电过程中,单斜相MnOOH和尖晶石相ZnMn2O4被进一步氧化为Birnessite型氧化锰导致电解液中Mn 2+ 离子浓度进一步小幅下降。而在放电过程中,电解液中Mn和S元素的摩尔比的回升,证明了单斜相MnOOH和尖晶石相ZnMn 2 O 4 的溶解,使电解液中的Mn 2+ 离子浓度大幅增加。根据以上分析,可以合理地得出结论,在充放电过程中发生了锰氧化物的沉积和溶解。 图5.(a)MnO x -2在第三次循环过程中的非原位XRD谱图,(b,c)MnO x -2在不同状态下的O 1s、Mn 3s以及Zn 3p的XPS光谱;(d)Zn/MnO x -2电池在不同状态下电解液中的Mn/S的摩尔比。 最后,采用循环伏安法(CV)对两个材料进行电化学分析。图6a所示为 α-MnO 2 电极在0.1 mV/s的扫描速率下的CV曲线。α-MnO 2 的CV曲线与大部分MnO 2 的CV曲线类似,其开路电压较高为1.36 V,在首次阴极扫描过程中出现了还原峰,在后续的阳极扫描中只有一个氧化峰。有趣的是,碳包覆的MnO x 正极材料的开路电压很低,表明其处于放电状态。在首次阳极扫描中,在1.53和1.55V处出现两个非常尖锐的氧化峰(图6b),这与Mn 2+ 被氧化成Mn 4+ 有关。在后续的扫描过程中,位于1.23和1.38 V处的两个还原峰表明材料中的Mn 4+ 被还原。从CV曲线的对比,可以发现碳包覆的MnO x 纳米颗粒作为水系锌离子电池正极材料具有以下几个优点: (1)MnO x 电极的过电位间隙小于α-MnO 2 正极的过电位间隙。 (2)MnO x 正极的氧化还原峰的更为尖锐,表明该电极材料的电化学活性更高。 (3)循环后,α-MnO 2 正极的极化程度明显增加,而MnO x 正极在循环过程中极化程度没有明显增加。 结合相关文献的分析,MnO x 的较高的反应性和较小的极化可能是由于原位生成的Birnessite型MnO 2 的低结晶度以及锰空位引起的。 图6. (a)α-MnO 2 的CV曲线图,(b)MnO x -2的CV曲线图;(c)MnO x -2在首次循环过程中的非原位XRD谱图;(d)MnO x -2在不同扫描速率下的CV曲线图。 作者简介 刘军 本文通讯作者 中南大学 教授、博士生导师 ▍ 主要研究领域 从事微纳米高精度3D打印设备、软硬件系统及其在微纳复合材料制造方面的前沿基础性研究和相关应用研究。 ▍ 主要研究成果 以第一作者或通讯作者论文在Energy Environmental Science,Nano Energy,Journal of Materials Chemistry A,Nanoscale等SCI期刊上发表论文50余篇。 ▍ 个人主页: http://mse.csu.edu.cn/bk/?id=Liu%20Jun 撰稿: 原文作者 编辑:《纳微快报》编辑部 关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯,在Springer开放获取(open-access)出版。可免费获取全文,欢迎关注和投稿。 E-mail: editorial_office@nmletters.org Tel: 86-21-34207624
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最新综述!一文解读锡基催化剂电催化还原CO2
nanomicrolett 2019-8-27 16:02
Advances in Tin-Based Catalysts for Electrochemical CO2 Reduction Shulin Zhao, Sheng Li, Tao Guo, Shuaishuai Zhang, Jing Wang, Yuping Wu* and Yuhui Chen* Nano-Micro Lett. (2019) 11: 62 https://doi.org/10.1007/s40820-019-0293-x 本文亮点 1 介绍了近年来用于电化学还原CO2的各种新型Sn基电催化剂的研究进展。 2 综述了Sn基电催化剂的合成、催化性能及CO2电还原反应机理。 3 简要提出并讨论了Sn基电催化剂在CO2电还原领域尚存在的挑战和机遇。 内容简介 南京工业大学吴宇平和陈宇辉 课题组在本综述中总结了Sn基催化剂电催化CO2还原的研究现状。(赵树林为本文第一作者) 文章首先介绍了Sn基催化剂电催化CO2还原为甲酸和CO可能的反应路径,继而总结了用于CO2还原的各类Sn基电催化剂,详细介绍了相应催化剂的制备、催化活性、还原产物以及提高催化性能采用的策略等内容。 最后文章简要地提出并讨论了对于Sn基电催化剂用于CO2还原面临的挑战和机遇。 研究背景 日益枯竭的化石能源及其燃烧产生的大量CO2气体给人类带来了能源与环境的双重压力。 当前减少CO2 排放的策略之一是通过电催化方法,将CO2转化为有经济价值的化工原料,如甲酸和一氧化碳。这样既可以缓解CO2的排放,又能为工业生产提供具有价值的化工原料,这对于人类的可持续发展具有重要意义。 锡基电催化剂因其价廉、环保、催化能力强、对甲酸选择性高等特点而成为人们关注的热点。 图文导读 ▍ Sn基电催化剂的反应机理及途径 根据CO2•−中质子耦合方式的不同,可以将CO2电催化还原为甲酸和CO的路径有以下三种,如图1所示。 其中,具体的反应机理与Sn基电催化剂的种类和环境密切相关,可以通过理论计算、动力学测试以及原位分析等手段,研究CO2电还原的路径和机理。 图1 Sn基电催化剂上可能发生的CO2还原的反应途径。 ▍ 各类Sn基电催化剂的总结 对用于还原CO2的各类Sn基电催化剂进行了系统的分类和总结,包括单金属锡催化剂、双金属或多金属锡催化剂、锡基氧化物和硫化物及其复合材料。从催化剂的形貌、组分、结构、测试条件等方面探究了对CO2还原性能的影响,以及提高活性、选择性和稳定性所采取的策略。 2.1 Sn单金属催化剂 Sn电催化剂的厚度、尺寸和形貌对于催化剂的活性和选择性具有非常至关重要的影响。 Wallace等人构建了Sn修饰的氮掺杂碳纳米纤维电催化剂,其中可以通过调控Sn物种(单金属纳米颗粒或Sn-N-C)的存在方式,达到调节催化剂选择性的目的(图2)。 图2 构建Sn修饰氮掺杂碳纳米纤维电催化剂的示意图及性能测试。 2.2 双金属或多金属Sn电催化剂 合金化可以精确调控电催化剂的表面电子态和结合能,从而优化催化活性。 Chen等人通过控制PdSn/C催化剂中金属Pd和Sn的比例,得到含有不同含量的Pd0/PdII 和 Sn0/SnIV PdSn/C催化剂(图3),发现其电化学活性和选择性高度依赖于表面结构。 图3 PdSn/C催化剂的形貌和组分。 2.3 Sn基氧化物 研究表明Sn基合金的高效催化活性部分来源于表面Sn的氧化,于是许多工作致力于发展Sn基氧化物电催化剂。 其中,不同相貌以及含缺陷结构的SnO2纳米材料及其复合结构作为高效的CO2电催化剂被广泛研究(图4)。 图4 表面活性剂诱导的TiO2纳米片和SnO2纳米粒子的二维限域组装策略。 2.4 Sn基硫化物 金属硫化物因其独特的表面结构、局部环境和高导电性、良好的热稳定性等特性,在提高电子转移动力学的同时,提高催化活性,因此得到了广泛的关注。 目前,Sn基硫化物也取得了很大进展,可以通过调整SnS2的厚度(如:单层SnS2)、与支撑物的相互作用(如:SnS2/RGO)以及元素掺杂(Ni掺杂,如图5)等策略实现电催化CO2还原性能的提高。 图5 元素Ni掺杂的SnS2纳米片。 / 展望/ 通过对近年来的相关进展的回顾,Sn基电催化剂在CO2还原领域的研究取得了快速进展,具有较大的发展潜力和空间。我们认为未来工作可在以下两个方面进行研究探索: (1)Sn基催化剂表面结构的调控和缺陷的构建。 (2)发展Sn基单原子催化剂的制备方法,实现催化剂选择性的调控。 作者简介 吴 宇平 (本文通讯作者) 教授,博士生导师 南京工业大学能源科学与工程学院 国家杰出青年科学基金获得者 ▍ 主要研究领域 1. 锂离子电池及其关键材料;2. 超级电容器;3. 新型储能体系与器件;4. 太阳能制氢。 ▍ 主要研究成果 近几年在Angew. Chem. Int. Ed.; Adv. Mater.; Adv. Energy Mater.; Nano Lett.; Prog. Mater. Sci.; Nano Energy; Chem. Mater.; Chem. Commun.; J Mater. Chem. A等国际知名杂志发表论文240多篇情况,论文引用8000多次,H-指数53。授权发明专利21项。 E-mail: wuyp@fudan.edu.cn 陈宇辉 (本文通讯作者) 教授,博士生导师 南京工业大学能源科学与工程学院 ▍ 主要研究领域 1. 现场光/质谱电化学;2. 新型电池体系:锂离子/锂-氧电池;3. 电化学催化。 ▍ 主要研究成果 在国际顶级期刊包括Nature Mater.; Nature Chem.; Nature Energy;Nature Comm.; J. Am. Chem. Soc.等发表了多篇文章,SCI他引3500余次。 E-mail: cheny@njtech.edu.cn 赵树林 (本文第一作者) 讲师 南京工业大学能源科学与工程学院 ▍ 主要研究领域 纳米材料的设计与制备、电催化、能源转换与存储。 E-mail: zhaosl@njtech.edu.cn 相关阅读 电催化 ·往期回顾 👇 1 NML研究文章|氮掺杂海绵镍阵列:高效电解水析氧催化剂 2 NML研究文章|高晶面指数Ni3S2分支阵列:双功能电解水催化剂 关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯,在Springer开放获取(open-access)出版。可免费获取全文,欢迎关注和投稿。 E-mail: editorial_office@nmletters.org Tel: 86-21-34207624
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[转载]量子化学研究重氮乙酸乙酯与肉桂醛共聚反应的机理
caixin5120 2018-5-17 09:48
重氮乙酸乙酯与肉桂醛共聚反应的机理研究 ——量子化学计算分子结构和自旋布局 【分迪科技提供药物设计服务与平台】 期待与您合作! 公司网址: http://www.moldesigner.com/ 公司电话: 028-85160035 公司邮箱:sales@moldesinger.com 合作单位 :武汉大学 合作成果 : 1. Li, Y.; Chen, C.; Li, F.; Liao, L.; Liu, L., Mechanistic studies of the copolymerization between ethyl diazoacetate and cinnamaldehyde. Polymer Chemistry 2017, 8 (18), 2881-2888.(2016 IF = 5.375 ) 重氮甲烷的N diazo 和C 3 双自由基是1,3-偶极形式的共振结构。在没有任何催化剂的情况下重氮乙酸烷基酯(重氮乙酸乙酯,EDA)能够与α,β-不饱和醛(肉桂醛,CA)反应生成N diazo 和C5、N diazo 和C8双自由基,这些自由基能使得EDA和CA发生聚合反应。 本文通过量子化学优化系列三重态N、C双自由基得到分子结构,并通过计算原子自旋布局,确定中间体为双自由基结构。合作单位根据优化的结构计算其能量并推测反应路径,确定双自由基反应机制。 图1 M06-2X/de f2-SVP水平下优化双自由基结构并计算其原子自旋布局 更多成功案例欢迎访问: http://www.moldesigner.com/category/company-case 本文版权属于成都 分迪科技 有限公司,转载请注明出处,商业使用需取得分迪科技书面同意! 扫描下方二维码关注 分迪科技 微信公众号 ,了解更多前沿资讯! 本文转载自: http://www.moldesigner.com/3328.html
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激活低压人造金刚石的反应机理
热度 4 jitaowang 2011-5-14 03:39
激活低压人造金刚石的反应机理
作者 王季陶 虞忠衡老师发表了评论意见 . 要回复可能需要一些图 , 因此仍以博文单独回复 . 删除 回复 yuzh 2011-5-13 09:44 你文中的两个反应,是不是属于化学反应是可以商榷的。你根据啥,可以断定它们是化学反应,为何不可能是物理吸附?它们的反应焓多少,在两步反应中,产物的构型是如何变化的,也是说氢化产物空间构型与原料和最终产物的够构型有啥差别 ? 这些问题,在你的文中都没有涉及 . 我总是感到,讨论一个反应,仅仅涉及热力学是远远不够的,一个热力学可行的反应,在动力学上有可能是毫无意义的。 对是不是化学反应非常容易解决 . 只要看一个微波或射频激活的封闭实验装置如图 1: 图 1 体系中最初是氢气 . 通过等离子体激活产生的超平衡氢原子就可以使石墨腐蚀和金刚石生长同时发生 . 显然这时封闭体系中的气体已经不是单纯的 H 2 , 同时一定包含了各种碳氢化合物 (CH 4 , C 2 H 2 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , … ). 因此在此封闭体系中一定是发生了化学反应 . 光谱研究也证实了这一点 . 在热力学耦合模型中所讨论的反应 (1) 和反应 (2) 都仅仅是简化的反应代表而已 . 至于反应机理请看图 2: 图 2 在石墨 1000 表面上的团簇非常类似于物理吸附的不饱和具有大 p 键苯等芳香烃 . 而在金刚石 111 表面上的团簇非常类似于化学吸附的饱和具有 s 键环己烷等脂肪烃 . 在超平衡氢原子的作用下 , 不饱和具有大 p 键苯等芳香烃很容易发生加成反应 . 经过大 p 键破裂 , 甚至分解成气态的小分子各种碳氢化合物 (CH 4 , C 2 H 2 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , … ). 但是在金刚石表面上的团簇 , 都是 C-C 或 C-H 等饱和的 s 键 , 很难和超平衡氢原子反应 ; 而是气态的小分子各种碳氢化合物 (CH 4 , C 2 H 2 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , … ) 在金刚石表面上分解而团簇生长 . 总的结果是 : 石墨被腐蚀而金刚石在生长 . 这样的反应机理再简化就得到图 3. 用双箭头来表示耦合反应 . 这种双箭头的耦合反应在生命科学是非常流行的 . 或者说 , 在生命科学中有着大量耦合反应 . 甚至 “ 耦合反应 (coupled reaction)” 这个名词也是首先由生物化学家在研究生化反应时首先提出来的 . 对耦合反应机理的讨论能够进入原子的层次 , 则又得借助于激活低压人造金刚石的研究 . 更详细的实验事描述和机理讨论就请参见我的几本热力学专著了 .
个人分类: 现代热力学|6011 次阅读|11 个评论
忆起过往事,满是辛酸泪——JACS接收前的心路历程
热度 13 ghui 2011-1-22 21:25
忆起过往事,满是辛酸泪——JACS接收前的心路历程 作者:高辉 写在前面的话: 文章刚刚被化学领域最重要最有影响力的期刊JACS(Journal of the American Chemical Society,美国化学会志)接收,欣慰之余,将其中的心路历程撰写如下,以此作为开通科学网博客暨正式融入科学大家庭的卷首语,但有一二对同行们有益者,也不枉此辛!当然我没有忘记,我仍然是个小菜鸟,仍然需要向同行们学习,欢迎朋友们跟我交流,让我们共同进步吧! 多少次夜静人稀的校道上踽踽而行? 多少次睡眼惺忪挣扎着爬出被窝去打开实验室的门? 多少次心浮气躁坐立不安欲哭无泪? 多少次不堪重负恍若绝境看不到一丁点光明? 多少次沉默了亲人的问候?多少次怠慢了朋友的通信?多少次推延了同学的邀请? 多少次春节没有回家度过?多少次聚会或者活动没有积极参加? 多少次身边的良辰美景错失?多少次重要的机会没有好好把握? 多少次在图书馆的书架前被震撼?多少次精彩的演讲没有去听? 多少次满怀期待终成幻梦? 多少次郑重承诺化为泡影? …… 日复一日,年复一年,岁月到底不饶人,如今将要步入而立之年却怎么都立不起来?充斥着无奈压抑着倔强依然孑然一身,功不成名不就老大不小了还要家人操心,年少轻狂的所谓抱负早已消失了影踪,接受着共和国的洗礼却咒骂着现实的不平,爱国兄弟的谆谆教诲却怎么也起不了作用,一边穷困,一边愤青…… 终于,否极泰来不再是梦, JACS 的认可使我此刻成为最幸运的人。 那是二零零六年的秋冬,那时林志强老师的专英要求用英语讲自己的化学研究 presentation ,那时我在学术上一无所有,除了满腔的热情,那时柯卓锋师兄给了我一篇当年的 JPCB 和一篇 CR ,“就拿去讲这个吧”,都是关于磷酸酯水解的论文。那是二零零七年的开春,方冉师兄的一次文献查新得到一篇尚没有页码的刚刚在 JACS 刊出的金属单锌配合物催化磷酸酯水解机理的研究论文。从此坚定了我摸索深入下去的决心。摸索,不停地摸索,尝试,不停的尝试,无数次的失败,无数次的杂七杂八的事情,却并没有动摇我继续摸索下去的决心。因为越走下去越觉得自己的无知渺小,正所谓学无止境。此后,柯卓锋师兄的出国留洋一年,也正是我杂七杂八甚至驰骋三国游戏的一年,期间算了两个月叶保辉老师的水簇,无果,后叶发了 JACS ,据说当时若能计算出来的话是准备发 Science 的,无奈我当时太水太嫩。期间更是算了半年甚至将近一年的 Sm 卡宾环丙烷化反应,终觉无趣,有数据却未成文,亦属无果。转眼间二零零八年的秋冬到了,我也正式博士了,双锌配合物催化磷酸酯水解机理的最新实验研究正好刚出来,这正是我所期盼的,我也从此前的单锌摸索告一段落,磷酸酯的计算仍然停留在 H F/3-21G 水平。零八年十二月的博士开题报告虽然有了一些初步的思路,也着实有一点点初步结果,但这远远不够,……继续摸索,其中的艰辛又岂是只言片语所能概述?跟我一起上研读博的人好几个都已经早早发了文章,得了奖学金,已无毕业压力,只需做自己喜欢做的事情,而我却还在压力之下艰难前行,在零九年七月柯师兄去日本前完成初稿,到一零年七月份投稿到JACS,整整修改了一年,这一年过得太过漫长太过辛劳。没办法,这是我写的第一篇文章,而且又是要投JACS的,在与柯师兄和Nathan几次邮件后,硬是憋啊憋,改啊改,总算最终完稿。 下面是JACS审稿修改全记录: 2010.7.29 投稿到JACS 2010.8.19 第一次修改意见返回,四个审稿人,其中前两个审稿人建议小修改发表,后两个大修改后再审 2010.10.17第一次修改稿发出去(没办法,根据审稿人的意见又算了将近两个月) 2010.11.7第二次修改意见返回,第四审稿人完全同意,第三审稿人却认为我们的回复没有重视他的意见 2010.12.12第二次修改稿发出(又算了一个月,教训啊:审稿人的意见再怎么重视都不过分,谨记啊) 2011.1.6 第三次修改意见返回,(在经历了一个漫长的焦虑等待后忐忑的心总算有了点慰藉了,全是TOP5) 2011.1.9第三次修改稿发出 2011.1.10JACS接收 回顾整个拉锯战过程,我必须向这四位审稿人致以最崇高的敬意,他们都是这个领域最最顶尖的科学家(其中至少有三位可以确定是我推荐审稿人里的六位牛人中的,推荐审稿人也是一门学问,呵呵,要知道,我极不情愿把这些德高望重的牛人们与国内很多披着学术外衣的商人们放在一起,那样是对这些科学良知的人的亵渎),而我这个小菜鸟,能得到他们的指点,从而使得文章更加Perfect(尽管多算了好几个月,尽管提心吊胆战战兢兢了好几个月)。 以下是JACS的总的评审结论汇总: Reviewer: 1 Significance: High Novelty: Moderate Broad interest: High Scholarly presentation: High Are the conclusions adequately supported by the data?: Yes Are the literature references appropriate and correct?: Yes Do the contents justify the length of this manuscript?: Yes Reviewer: 2 Significance: High Novelty: High Broad interest: High Scholarly presentation: High Are the conclusions adequately supported by the data?: Yes Are the literature references appropriate and correct?: In Part Do the contents justify the length of this manuscript?: Yes Reviewer: 3 (第三次评审结论) Significance: Top 5 Novelty: Highest (top 5) Broad interest: Highest (top 5) Scholarly presentation: Highest (top 5) Are the conclusions adequately supported by the data?: Yes Are the literature references appropriate and correct?: Yes Do the contents justify the length of this manuscript?: Yes Reviewer: 4 (第二次评审结论) Significance: High Novelty: High Broad interest: High Scholarly presentation: High Are the conclusions adequately supported by the data?: Yes Are the literature references appropriate and correct?: Yes Do the contents justify the length of this manuscript?: Yes 以下是JACS的总的评审意见汇总: 审稿人一: This paper reports the results of a density functional computational study of the mechanism of phosphate diester cleavage catalyzed by a dinuclear Zn(II) complex. These calculations use a polarizable continuum model to estimate solvation energies for the charged catalyst and reactants. I am not qualified to comment on the quality of the calculations. However, the computational modeling of this metal-ion complex catalyzed reaction presents a very difficult challenge, and I suspect that the author's apparent success is a significant achievement. In addition, the authors have an excellent understanding of earlier experimental studies on these metal ion complexcatalyzed reactions. The agreement between the calculated and observed barrier for the catalyzed cleavage of 2-hydroxypropyl-4-nitrophenyl phosphate is evidence that these calculations provide a true structure for the reaction transition state. In addition, the computational results provide an interesting structure for the Michaelis complex and insight into the reaction mechanism not obtained in experimental studies. This work will attract the attention of computational, organic and inorganic chemists interested in reaction mechanisms. Publication in JACS is recommended, subject to the author's considerations of the following comments and questions. 审稿人二: This manuscript reports a DFT computational study of the hydrolysis of the phosphodiester HpPNP by a binuclear zinc catalyst for which a series of physical organic experimental studies provided data suggestive of a concerted mechanism. The authors’ calculations support that conclusion, as well as the proposals regarding the protonation state of the active species. The abundance of experimental data make this a good system for a computational analysis, and the calculations reproduce the experimental results reasonably well. New insight comes from the nucleophile 18O KIE, which supports the idea that HpPNP binds to the catalyst with the nucleophile hydroxyl group coordinated to one of the zinc ions, and is subsequently deprotonated. This study thus gives a more concrete picture of the binding mode of the substrate to the catalyst than could be determined from experimental results. The binding mode of substrates to dinuclear metallophosphatases, and even to their small molecule model systems, remains an area of considerable uncertainty. Publication is recommended after minor revisions are made. 审稿人三: 第一次审稿意见: In this MS the authors describe a DFT study on the cleavage of 2-hydroxypropyl pnitrophenyl phosphate ( HpPNP ) promoted by a dinuclear Zn(II) catalyst which was experimentally studied extensively by Richard and Morrow. The main findings of this computational study are that the lowest energy computed pathway for cleavage of HpPNP involves double activation of the phosphate by binding to the complex in a Zn(II)—O-P-O—Zn(II) motif, followed by an equilibrium deprotonation of the hydroxypropyl group to form a Zn(II) associated 2-oxypropyl nucleophile which then nucleophilically attacks the phosphoryl unit in a concerted displacement of the pnitrophenoxy group. This pathway fits the mechanism favoured by Richard and Morrow, and supports additional heavy atom kinetic isotope effect studies by Hengge and Richard and Morrow. In addition the authors have computed a less favoured pathway for a stepwise reaction whereby additional waters coordinated to the catalyst displace the phosphate binding from two Zn(II) ions to one Zn(II) ion, with a H-bonding network to the other. This pathway has a general catalysis for the proton transfer with concurrent attack of the 2-oxypropyl group on the P to form a 5-coordinate phosphorane intermediate with subsequent fast departure of the phenoxide leaving group. Overall this is has the makings of a good paper where the computational results on a fairly well-defined system fit with what is known experimentally, and the computation does add to what we know about that system. I have some points that would make the MS clearer and more precise with the presentation. 第二次评审意见: 跟 Fan and Gao 的那篇物理化学的报道的路径的比较 减少 NBO 分析的权重 第三次审稿意见 This is a vastly improved presentation of what is certainly an important contribution to the literature pertaining to a two metal ion catalyzed cleavage reactions of phosphodiesters as models for metallonuclease catalyzed processes. I read this version with interest, in particular the nice presentation of the effects of the various additional calculation parameterization which clearly lead to important energy differences between the methods. I am now happy with the conclusions made, and in particular a more careful comparison of the general-base process of Fan and Gao with the concerted process here, when calculated by methods with the same parameterization. The ms can be published essentially as is, but the authors might like to consider the following three points. 审稿人四: 第一次评审意见: The authors use DFT calculations to investigate the mechanism for the cleavage of an RNA analogue HpPNP catalyzed by a dinuclear Zn(II) complex Zn2(L2O) . The authors identify a plausible cleavage mechanism, which is a fairly routine task with quantum chemical methods. Meanwhile, the authors fall short when characterizing the role of the catalyst, which would have a significant impact in the context of catalyst design. As such, the study is not suitable for publication in JACS in its present form, but may be suitable for other ACS journals. That being said, if a more thorough analysis of the role of the catalyst was performed, and the manuscript was modified accordingly, the study may become suitable for publication in JACS. I would encourage the authors to attempt this route, and provide the following comments regarding the analysis of the mechanism and role of the catalyst. 第二次评审意见: The authors have addressed main point of my previous comments regarding the need for a detailed discussion of the role of the catalyst (comment 1 in my previous report) by adding a section devoted to this purpose. As such, I believe the manuscript is now in sufficient form for publication in JACS.
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