“双碳”战略与化学

“双碳”战略与化学

专刊投稿截止日期：2024-08-31

专刊客座编辑：

雷爱文教授
武汉大学化学与分子科学学院，武汉 430072

张恒副教授
武汉大学化学与分子科学学院，武汉 430072

专刊介绍
        人类文明的发展伴随着对能源需求的不断增长。在目前的能源体系中，化石能源仍然占据着重要的地位。从化学的角度考虑，对化石能源的利用通常都是一个氧化过程，不可避免地伴随着碳排放。针对不断增长的碳排放，中国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”的目标。为实现“双碳”目标，需要人文、社会、理工等诸多学科专业的共同努力，作为中心科学的化学无疑会在其中发挥极其重要的作用。无论是对传统化石能源利用过程的优化，还是风能、光能、核能等新能源的发展，以及对高能耗化工生产过程的改造，都需要用到方方面面的化学知识。
        在大学化学、化工课程教学体系中，无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、高分子化学、化学工程等课程的教学内容中均包含众多与“双碳”密切相关的素材。在化学教学中引入“双碳”元素不仅可以丰富教学内容，学以致用，而且可以更好地宣传“双碳”，让学生深入地了解“双碳”，无论对于化学专业或非化学专业的学生都是大有裨益的。
        为响应国家重大需求，《大学化学》拟推出“双碳”战略与化学专刊，就化学、化工教学中与“双碳”相关的各个方面开展广泛的探讨，促进对“双碳”战略与化学的深入理解和认识。欢迎各位老师和同学就这一专题踊跃投稿。

投稿
请于2024年08月31日前，在大学化学网站(http://www.dxhx.pku.edu.cn/JournalX_uc/authorLogOn.action)完成在线投稿。投稿时请注明“‘双碳’战略与化学”专刊。文章接受后即网络发表，并在特刊网页集中列出。
所投稿件不能已经出版或准备在其他地方出版。所有稿件都须经过严格的同行评议。更详细信息请见大学化学的征稿简则。

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钙钛矿/有机串联叠层光伏器件的制备及性能表征——推荐一个大学化学研究型综合实验

谭占鳌, 李明华, 王文立, 孙振宇

大学化学 2025, 40 (2): 312 -319. DOI: 10.12461/PKU.DXHX202405044

摘要（4742）

PDF （898KB）（524）

钙钛矿材料具备优异光电性能和带隙可调的特性，是制备高效光伏器件的良好选择。有机太阳能电池具有溶液制备和可柔性弯折的特点，与钙钛矿太阳能电池具有相似的器件结构。构建钙钛矿/有机串联叠层可有效提升光谱利用率，突破单结器件的理论效率，展现出更广阔的应用潜力。本实验以串联叠层光伏器件前沿进展为出发点，推荐一个综合化学设计性实验，使本科生学习了解钙钛矿/有机叠层电池的原理及进展，并以此为基础提高其创新思维与实验实践综合能力。本实验中的串联叠层钙钛矿器件包括宽带隙钙钛矿前结子电池、中间层以及有机后结子电池，涉及了基于液相法和真空气相法的薄膜制备过程，通过扫描电子显微镜和X射线衍射表征钙钛矿薄膜的微观形貌与结晶特性，使用模拟太阳光和电学测试系统测量制备叠层器件的光电性能。本实验难度适中，涉及内容丰富，旨在让学生通过本实验去了解光伏器件的工作原理和前沿发展，提升学生对光伏电池的兴趣，并培养其科研创新及实践能力。

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铜催化Kharasch-Sosnovsky型反应构筑碳氧键

王芃梓, 肖文精, 陈加荣

大学化学 2025, 40 (4): 239 -244. DOI: 10.12461/PKU.DXHX202406090

摘要（4546）

PDF （539KB）（1145）

过渡金属催化的碳-杂原子偶联反应是有机合成化学中一个重要的研究方向。Kharasch-Sosnovsky反应利用过氧苯甲酸叔丁酯作为氧化剂，在金属铜催化的条件下，将烯烃转化为烯丙酯类化合物，完成碳氧键构筑。响应国家“双碳”战略，开发新的催化体系，实现含碳物质的绿色高效转化已经成为有机化学家们追求的重要目标。基于此，Kharasch-Sosnovsky反应在不对称反应、配体设计、底物范围扩展以及环境友好性方面取得了显著的改进。本文简要介绍了Kharasch-Sosnovsky反应的发现与新的研究进展，结合前沿科研成果，不仅有助于加深学生对基础有机化学中相关内容的理解，同时可以有效补充现有教材中的知识空缺，实现基础化学知识与学科前沿研究的深度融合。

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稀土金属催化糠醛合成环戊-2-烯酮衍生物的本科实验设计

冯梦霞, 李小洪, 胡建强, 黄良斌

大学化学 2025, 40 (2): 341 -347. DOI: 10.12461/PKU.DXHX202405152

摘要（3301）

PDF （791KB）（461）

介绍了稀土金属催化剂ErCl₃·6H₂O催化的生物质平台化合物糠醛和大宗化学品二苄胺，通过Nazarov人名反应及4π电环化，一步高收率构建重要合成中间体环戊-2-烯酮衍生物的本科实验方案。实验设计整体方案包括：反应合成-抽滤-重结晶分离-样品表征四个环节。反应条件温和、操作简单、重复性良好、安全无毒、耗时短、产率高等特点完全满足本科生实验课程要求。实验中引入绿色化学理念、生物质平台化合物高附加值转化、稀土金属催化等主题，不仅丰富了本科生课程实验，而且能更充分地提升学生的化学素养和学习兴趣。

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全溶液法制备反式钙钛矿太阳能电池与表征综合创新实验设计

闫伟博, 王义成

大学化学 2025, 40 (2): 357 -363. DOI: 10.12461/PKU.DXHX202405176

摘要（2890）

PDF （1667KB）（579）

太阳能电池是太阳光能利用的主要途径，是新能源重要发展领域之一。近年来钙钛矿太阳能电池异军突起，光电转换效率大幅提升，有望替代Si和CdTe等传统太阳能电池。钙钛矿太阳能电池器件的制备常用到高真空薄膜沉积装置，设备昂贵且制备工艺复杂，难以引入到本科生实验教学课程中。本文为“新能源材料与器件专业”设计的全溶液旋涂法制备反式平面钙钛矿太阳能电池的创新实验，降低了对设备的要求，简化了制备工艺流程，可重复性好且安全性高，有利于学生深入理解和掌握太阳能电池的工作原理、基本工艺流程和表征方法。

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“双碳”背景下的综合设计实验——以PbCrO₄催化甲基蓝的光降解速率常数测定为例

刘弈畅, 安丽, 曲丹, 孙再成

大学化学 2025, 40 (6): 222 -229. DOI: 10.12461/PKU.DXHX202407105

摘要（4436）

PDF （1711KB）（236）

光催化技术具有绿色、清洁的特点，在“双碳”背景下受到了广泛关注。而目前的本科教学中缺乏相关实验，导致学生对“光催化”及“低碳化学”等科学前沿知之甚少。本实验聚焦光催化有机物降解，在模拟太阳光照条件下，测定PbCrO₄对甲基蓝的降解速率。实验涉及无机化学、物理化学、仪器分析等内容，向学生传递“绿色化学”和“双碳目标”思政理念的同时，锻炼了学生的综合素质及实验技巧。

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从物理化学的角度看化学能的利用

张诗奇, 张恒, 雷爱文

大学化学 2025, 40 (6): 310 -315. DOI: 10.12461/PKU.DXHX202408124

摘要（4338）

PDF （442KB）（273）

化学能在目前及今后一个时期会在能源结构中占据重要地位。化学能的利用涉及化学热力学、电化学、动力学等诸多与物理化学密切相关的内容。从物理化学的角度分析了化学能转化为电能的各种方法以及化学能在能量存储中的作用。通过对化学能利用的分析可以达到深化物理化学学习的目的。

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面向“双碳”目标的脱氯吸附剂开发研究型综合实验设计

张佳男, 许梦真, 刘嘉敏, 贺宇飞

大学化学 2025, 40 (6): 248 -255. DOI: 10.12461/PKU.DXHX202408068

摘要（5443）

PDF （2201KB）（185）

在“双碳”目标的引领下，针对废塑料循环经济中存在的脱氯问题，设计了具有“记忆效应”的层状脱氯吸附剂制备与性能测试研究型综合实验。具体实验过程包括：通过共沉淀法制备层状复合金属氢氧化物(LDHs)，随后对LDHs进行焙烧得到复合金属氧化物(LDO)，以其作为脱氯剂加入到正十二烷、NaCl、去离子水模拟的含氯环境中，多次取样测定其吸附性能，同时对吸附后的脱氯剂结构进行表征；吸附结束后，进行焙烧处理，再次测定其脱氯能力，多次重复该过程探究其稳定性。本实验是将科研成果引入教学实验的典型案例，不仅为新型可重复使用脱氯剂的研究提供新思路，而且有利于提高学生的环保意识和科学研究素养，激发他们进行科学研究的兴趣。

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高分子综合实验设计：“双碳”战略下可重复加工丁苯橡胶材料的制备与性能

尹常杰, 王博煜, 乔丹彤, 李慧敏

大学化学 2025, 40 (11): 221 -232. DOI: 10.12461/PKU.DXHX202412046

摘要（1920）

PDF （703KB）（160）

为进一步让学生理解“双碳”战略，本实验教学设计从可重复加工橡胶材料出发。首先，用1,4-苯二硼和(3-巯丙基)三乙氧基硅烷反应得到了一种新型交联剂(B-KH580)；其次，将B-KH580与丁苯橡胶(SBR)共混；最后，160 °C热压成型得到硼酸酯键交联的SBR。由于该橡胶材料中含有大量的可发生可逆易位反应的可逆动态共价键硼氧键(—B—O—)，从而使其表现出良好的可重复加工性能，橡胶经过重复加工后拉伸强度可以恢复到95%以上，断裂伸长率可以恢复到84%以上，杨氏模量可以恢复到87%以上。通过该实验教学，不仅可以将最新的科研进展引入到课堂实验教学中，同时可以让学生更加直观地明晰“双碳”战略。

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