随着社会经济的发展,能源和环境问题日益受到人们的广泛关注。氢能因其能量密度高、绿色无污染、储量丰富、应用广泛等优点,被认为是21世纪理想的清洁能源。电解水制氢是一种清洁的生产技术,在“双碳”的背景下得到蓬勃发展,其关键挑战在于开发高性能的析氢反应(HER)电催化剂,以降低水分解的过电势。详细介绍了目前主流的电解水制氢技术,分析了各技术的自身特性和优劣势,重点总结概括了HER催化剂的研究进展,最后对电解水制氢技术及其催化剂的发展方向进行了展望。
面对化石燃料日益枯竭、锂资源短缺等问题,钠离子电池以资源丰富、理论成本低、快充性能好、低温性能优异等优势被认为是发展新能源、大规模储能和低速电动交通工具中具有较大潜力的二次电池。钠离子电池正极材料是影响电池能量密度、循环性能、倍率性能等参数的重要因素之一,钠离子电池正极材料包括过渡金属氧化物、聚阴离子类化合物、普鲁士蓝类化合物和有机类化合物。总结并介绍了钠离子正极材料,概括了钠离子电池的优劣势,分析了各类正极材料的自身特性和研究方向,对钠离子电池正极材料的发展方向进行了展望。
层状双金属氢氧化物(LDHs)具有层内离子可变、层间阴离子可交换以及反应表面较大的特点,因而表现出优异的电催化析氢和析氧性能。此外,基于LDHs的衍生物能够实现催化剂材料的多功能化和性能的增强,使其在众多领域均表现出显著的优势和良好的应用前景。系统分析了LDHs层板结构的可调变性、可剥层及组装性、结构记忆效应等性质,以及剥层法、共沉淀法和水热合成法等LDHs高效电催化剂的常用制备方法,综述了LDHs及其复合衍生物在电解水析氧反应、析氢反应、乙醇电催化氧化反应、氧还原反应等电催化领域的应用研究,并对LDHs所涉及的问题和解决方案进行了分析及展望。
导电聚合物材料因导电率高、质量轻、防腐蚀、电学和光学性能良好等优点引起科研工作者的兴趣。其中,聚吡咯作为典型的导电高分子材料,因其合成条件简单,且具有良好的环境稳定性、环境友好性、电导率变化范围广且可调节等优点而备受关注,但它存在难溶解、难熔融、力学性能及加工性能较差等缺点,限制了其应用。聚吡咯与其他材料复合形成的复合材料,在改善聚吡咯缺点的同时结合了二者的优点,赋予材料新的性能,拓宽了材料的应用领域。简述了聚吡咯的主要合成方法,分析了每种方法的优势与缺点,并对其在超级电容器、气敏传感器和生物组织工程等领域的应用进行了总结,讨论了聚吡咯复合材料所面临的问题及解决方案,对未来的发展进行了展望。
固体氧化物电解池(SOEC)技术基于固态电解质可实现电能、热能向化学能的高效、灵活转化,可与太阳能、风能和潮汐能等可再生能源衔接,利用所产生的过剩电能实现H2的高效、清洁、大规模制备;可以耦合CO2捕获过程,实现CO2与H2O共电解制备合成气;可与大型工业结合,利用产生的低附加值原料制备乙烯、氨气、甲醛等高附加值化学品。SOEC技术可以满足未来社会对大规模可再生能源转化及存储的需求,对加快全世界范围内非化石能源替代进程、加速实现我国“双碳”目标意义重大。主要讨论了SOEC技术所应用的电极和电解质材料、现阶段的应用场景及原理、面临的挑战,并对该技术的发展方向进行了展望。
以四水合钼酸铵为钼源、六水合硝酸镍为镍源,采用水热法在泡沫镍基底上制备前驱体NiMoO4纳米棒阵列,然后通过热氮化法得到具有棒状阵列结构的NiMoN催化电极材料(简称NiMoN)。采用X射线衍射和扫描电子显微镜对NiMoN的物相结构和表面形貌进行表征;通过线性扫描伏安法、塔菲尔斜率、电化学阻抗谱等电化学测试手段,对NiMoN的半反应析氧(OER)、析氢(HER)以及全解水性能进行测试。结果表明,在碱性淡水和碱性模拟海水电解液中,NiMoN均显示了突出的OER活性,产生100.00 mA/cm2的电流密度分别需要293、340 mV的过电位;NiMoN?9具有较好的HER活性,在两种电解液中产生100.00 mA/cm2的电流密度分别需要361、400 mV的过电位;NiMoN?9具有良好的全解水性能,在两种电解液中产生100.00 mA/cm2的电流密度所需电压分别为2.016、2.032 V,且可稳定运行55 h以上。
钴基催化剂活化过一硫酸盐(PMS)具有催化活性高、操作简便、易回收和成本较低等优点,因此近年来在高级氧化技术领域备受关注。综述了钴基催化剂的典型合成方法,包括固相法、气相法和液相法等;介绍了用于活化PMS的钴基催化剂的类型,包括具有特殊形貌的钴氧化物、负载型钴氧化物和钴基复合金属氧化物;阐述了钴基催化剂活化PMS在环境修复中降解有机染料、内分泌干扰物以及药物和个人护理品的研究进展;总结了目前钴基催化剂活化PMS存在的一些不足,并对该领域今后的研究提出了展望。
石墨相氮化碳(g?C3N4)是一种经典的非金属半导体光催化剂,具有物理化学特性稳定、能带结构合理、原料廉价易得、安全无污染等优势,在环保净化与能源催化等领域有良好的应用发展前景,近年来引起了广泛重视。但是,由于g?C3N4具有比表面积小、对可见光的吸收功能较低、光生电子与空穴复合率较高等缺点,严重影响了其应用。综述了g?C3N4的基本构造、特点、主要改性方式和国内外近年来g?C3N4的实际应用,其中改性方式涉及元素掺杂、形貌调控、贵金属沉积等。
随着工业化进程的加速,大量难降解有机物进入到废水中,给传统水处理技术带来了新的挑战。非均相催化臭氧氧化作为一种高级氧化过程(AOPs),因其高效性和环境友好性,在水处理领域显示出巨大的应用潜力。非均相催化剂通过提供表面羟基、路易斯酸位点、氧化还原循环和结构缺陷等活性位点,能有效促进臭氧的分解和活性氧物种(ROS)的生成,从而提高有机物的降解效率;金属基催化剂(过渡金属氧化物和金属负载型等)和非金属催化剂(活性炭、碳纳米管和氮化碳等)在提高臭氧氧化效率方面效果显著。综述了非均相催化臭氧氧化技术在工业废水处理中的应用,包括其作用机理、催化活性位点、典型催化剂,以及该技术在实际废水处理中的应用;对非均相催化臭氧氧化技术的研究方向提出了展望,并提出了建立统一的催化剂评价标准和提高催化剂稳定性的重要性,以促进高效非均相臭氧催化剂的开发和实际应用。
塑料是一种合成或天然的高分子聚合物,因其良好的耐用性和可塑性,已在工业领域和日常生活中得到广泛应用。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是常用的一种塑料,在多个领域都有广泛应用,但是,未经过人工处理的PET在自然情况下很难被降解,给生态系统带来严重负担,因此PET塑料的降解与再生问题已经成为全球性的热点问题,也衍生了许多降解的方法,如光降解法、热降解法、生物降解法等。其中,生物降解法因绿色环保而被认为是一种理想的降解方法。生物降解法中酶降解方法是一种十分环保且较高效的降解方法,而PET降解酶的设计改造成为PET降解的重点问题。综述了现阶段降解塑料的主要方法、生物降解法降解PET的常用酶以及PET降解酶的改造方法,以期为PET的快速降解与再生提供理论依据。
随着碳达峰、碳中和成为全球共识,电化学储能技术和相关产业得到了飞速发展,与此同时电极材料的需求也与日俱增。因此,如何利用来源广泛、成本低廉的前驱体制备高性能负极材料成为国内外研究的热点。煤炭因具有碳含量高、储量丰富和价格低廉等特点成为最有潜力的负极材料前驱体。近年来,研究者以煤炭为原料制备了无定型碳、石墨、碳纳米管和石墨烯等负极材料,并对其在锂离子电池中的应用进行了深入研究。总结了三类典型的煤基碳负极材料在锂离子电池中应用的研究进展,并对其合成方法、优化改性及电化学性能等方面进行了综述,最后对煤基碳负极材料的发展及应用进行了展望。
通过添加助剂调控Pt基催化剂的活性相,可以达到提高催化剂选择性和稳定性的目的。以Ga为助剂,通过改变n(Ga)/n(Pt)调控Pt基催化剂的活性相,并采用BET、FT-IR、TG、H2-TPR等手段对其进行了表征;在反应温度为580 ℃、体积空速为2 000 h-1、氢烃比(氢气与丙烷的体积比)为1的条件下,研究了Pt基催化剂脱氢性能。结果表明,Pt7Ga/Al2O3催化剂中的Pt粒径最小,分散性最好;Pt7Ga/Al2O3催化剂脱氢性能最好,反应3 h的丙烯选择性为90.98%,比PtSn/Al2O3催化剂高3.01%;Ga的调控增强了Pt与载体Al2O3间的作用力,降低了催化剂的酸性和催化剂的石墨化程度。
从聚甲氧基二甲醚使用性能的角度,对其材料相容性、贮存安定性、与柴油的互溶性等进行了系统研究。结果表明,聚甲氧基二甲醚与常见的铜、黄铜、钢、铸铁、铸铝和焊料等金属材料的相容性总体良好,体积分数为10%的聚甲氧基二甲醚调合柴油与聚酯型聚氨酯橡胶和氟橡胶的相容性相对较好,与丁腈橡胶和聚醚型聚氨酯橡胶的相容性相对较差;在16周的43 ℃贮存安定性实验中,聚甲氧基二甲醚表现出良好的贮存安定性;将聚甲氧基二甲醚按照体积分数为10%的比例与车用柴油掺混后,二者具有良好的互溶稳定性。总体来说,聚甲氧基二甲醚作为柴油调合组分表现出良好的使用性能。
随着锂离子电池价格的显著上涨,低成本、高能效的钠离子电池引起了广泛关注。电解液作为连接钠离子电池正负极材料的桥梁,具有至关重要的作用。针对不同电极材料构建适合的电解液体系,可以有效地提升钠离子电池的首次库伦效率、循环稳定性以及倍率性能。阐述了各类电解液添加剂在钠离子电池体系中的研究进展,并探讨了界面膜的形成机理;对未来电解液添加剂的研究方向进行了展望。
采用聚碳酸亚丙酯(PPC)与聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)共混制备了PPC/PBAT复合材料。由于PPC与PBAT的相容性较差,限制了复合材料的性能提升。为了提高二者的相容性,选择极性单体马来酸酐(MA)及引发剂2,5-二甲基-2,5?双(叔丁基过氧)己烷(DHBP),对PBAT进行接枝改性,并制备了PBAT接枝马来酸酐(PBAT-g-MA)。研究了PPC与PBAT-g-MA之间的相互作用以及对共混物性能的影响。结果表明,随着PBAT-g-MA质量分数的增大,共混物的断裂伸长率逐渐增大,PPC-60/PBAT-g-MA-40(60、40分别为PPC、PBAT-g-MA的质量分数)的断裂伸长率由21.2%增大至68.1%;当PBAT?g?MA质量分数低于PPC时,作为分散相的PBAT-g-MA在PPC基体中均匀分散,自身的酸酐基团与PPC的端基发生反应,可有效改善两相的相容性,应力在界面层实现有效传递,共混物的力学性能得到提升。
为解决钯(Pd)催化剂在选择性加氢中对目标产物选择性差的问题,添加第二金属M(M为Mn、Fe、Co、Ni),通过简单共还原法合成了PdM/C双金属合金催化剂;以3?硝基苯乙烯为模型分子,以H2作为氢源,研究了第二金属对Pd基催化剂选择性加氢性能的影响规律;采用XRD、TEM、气相色谱等方法对Pd基催化剂进行了表征与测试。结果表明,以纯Pd/C为催化剂,3?硝基苯乙烯加氢反应1.5 h,其转化率为100%,3?硝基苯乙烷的选择性仅为29%,过度加氢产物3?氨基苯乙烷的选择性为71%;引入第二金属后,PdM/C对3?硝基苯乙烷的选择性提升到75%~100%。其中,PdFe/C能将3?硝基苯乙烯完全加氢转化成3?硝基苯乙烷,且反应10次后,3?硝基苯乙烯的转化率仍保持在100%,3?硝基苯乙烷的选择性为99%,能够有效地避免过度氢化,实现3?硝基苯乙烯选择性加氢制备3?硝基苯乙烷。
近年来,全球压敏胶市场需求呈现稳定增长趋势,2021年市场需求已经达到了350万t左右,预计到2025年全球压敏胶市场规模将达到100亿美元。随着压敏胶技术水平的进步和应用需求的增加,功能改性压敏胶成为该领域发展的一大趋势。丙烯酸酯压敏胶是目前应用最为广泛的压敏胶,通过改性其性能有所提高,但存在改性过程中污染环境、资源利用率低等缺点。橡胶具有成本低、力学性能好、耐高低温、环保等优势,因此橡胶改性丙烯酸酯压敏胶成为该领域发展的趋势。总结了橡胶改性丙烯酸酯压敏胶的发展过程,并对橡胶的种类、改性后产品的优缺点等进行了介绍和对比。
钠离子电池因成本低、安全性高等优势,已经成为当前储能领域的研究热点。为了明确钠离子电池硬碳负极的发展历程,解决钠离子电池初始库伦效率低、稳定性差以及高倍率性能差等问题,探索了硬碳中钠离子储存机制;运用CiteSpace可视化分析了钠离子电池的发展沿程,从材料设计、结构调控、功能设计及界面优化3个方面综述了硬碳负极的性能优化策略研究进展,并对现存硬碳储钠机制进行了总结与探讨。最后,对钠离子电池硬碳负极的发展方向进行了展望。
长输天然气管道具有管径大、流速快的特点,掺氢混气的不均匀度会增加管道输送系统金属氢脆、密封渗漏、设备运行不稳定等风险。针对我国某长输天然气管道的运行工况,采用数值模拟的方法研究了4种静态混合器(SK型、SX型、SL型、HEV型)进行掺氢输送(掺氢比为3%)时的流场特性以及混合效果。结果表明,4种静态混合器对天然气掺氢混气均具有扰动混合作用,混合不均匀度随输量的增大而减小,压力损失随输量的增大而增大;在掺氢比为3%、掺氢压力为4.22 MPa、输量为13×108~36×108 Nm3/a的工况下,SK型、SX型、SL型和HEV型静态混合器的混合特性和效果差异较大,应在不同的混合距离处,将混合不均匀度下降至5%以下。综合考虑,可优选或创新设计结构相对简单、混合距离短、混合不均匀度较低、湍流特性优异、剪切特性良好并且压降适中的静态混合器,作为大口径长输天然气主管路掺氢混合器。
以γ?Al2O3为载体、Ni为活性组元,通过引入助剂Mo改善Ni系催化剂金属分散度,制得NiMo/γ?Al2O3催化剂(NiMo系催化剂)。采用BET、XRD、H2?TPD、H2?TPR、透射电镜等多种表征手段对催化剂进行了物性表征,并利用加氢装置对催化剂性能进行评价,考察了金属分散度对催化剂催化活性的影响。结果表明,Mo的引入可有效减弱Ni与载体的相互作用,H2?TPR谱图低温还原峰明显前移,峰强度增强,催化剂活性比表面积由0.7 m2/g增加到15.3~16.1m2/g,金属分散度由0.80%提高到18.59%,增加了催化剂表面金属活性中心数量,提高了催化剂表面金属分散度;在相同的工艺条件下处理催化裂化重汽油,NiMo系催化剂较Ni系催化剂脱硫率提高了15.7%,烯烃饱和率提高了4.9%,脱硫选择性降低了3.4%。由此可见,NiMo系催化剂兼具较好的脱硫性能和脱硫选择性。
通过溶剂萃取法分离回收废加氢催化剂碱浸渣的硫酸浸出液中铝和镍,分析并比较了萃取剂P204(二(2?乙基己基)磷酸酯)和P507(2?乙基己基磷酸单2?乙基己基酯)的萃取分离效果,同时考察了P204萃取体系中原料液初始pH、P204体积分数、P204皂化率、V(有机相)/V(水相)等因素对铝、镍萃取率的影响。结果表明,与P507相比,P204可更好地分离铝和镍;在萃取剂P204体积分数为35%、P204皂化率为30%、原料液初始pH为2.75、V(有机相)/V(水相)=3∶1的条件下,铝的萃取率达到96.45%,而镍的萃取率仅为2.77%;经过二级逆流萃取流程,铝的萃取率可达到99.50%以上,而镍的萃取率低于3.60%。采用盐酸溶液对负载有机相进行反萃,在盐酸浓度为6 mol/L、反萃温度为60 ℃、V(有机相)/V(水相)=2∶1的条件下反萃20 min,有机相中铝的反萃率为98.04%,可有效地实现废加氢催化剂中铝、镍的分离。
石墨相氮化碳(g?C3N4)作为一种对环境温和的半导体材料,在光催化领域具有良好的应用前景。但是,纯g?C3N4因比表面积小、光生载流子分离难等缺点影响了其光催化性能,限制了其大规模应用,因此对g?C3N4进行改性使其光催化性能得到提升具有重要意义。从合成方法和改性策略出发,综述了近年来g?C3N4光催化剂的研究进展,并总结了g?C3N4光催化剂在废水处理降解污染物、产H2及产H2O2等领域的应用发展。结果表明,改性后的g?C3N4光催化剂性能得到了巨大的提升。最后,对g?C3N4的发展方向进行了展望。
为探究D-A共轭聚合物中给体单元长度对其热电性能的影响,设计合成了3种含不同给体单元长度的二噻吩并吡咯(DTP)类的D-A共轭聚合物(PDPP-DTP、PDPP-2DTP、PDPP-3DTP),通过电化学表征结合密度泛函理论计算的方法研究了给体单元长度对聚合物能级的影响,并以三氯化铁作为掺杂剂对聚合物薄膜进行氧化掺杂,研究了其光学性质、热电性能及电阻随温度变化的规律。结果表明,随着DTP类给体单元长度的延长,聚合物的HOMO能级逐渐升高,使其更容易氧化掺杂;在相同的掺杂剂浓度下,掺杂后聚合物的电导率随着给体单元长度的延长而升高;PDPP-3DTP的最高电导率达到302.3 S/cm,远高于PDPP-2DTP(106.2 S/cm)和PDPP-DTP(64.7 S/cm);随着给体单元长度的延长,聚合物薄膜的电荷传输能垒逐渐降低,有利于提高掺杂薄膜的电导率;随着给体单元长度的延长,掺杂后聚合物薄膜的塞贝克系数降低;聚合物PDPP-2DTP经掺杂优化后,其热电功率因子最高,其值达到19.4 μW/(m?K2)。
根据国家管网集团构建公平开放大平台的要求,原油管道的富余管输能力将面向全社会开放。通过仿真模拟的方法研究了掺混原油管道顺序输送能耗费用变化,并基于模拟结果建立了原油管道新增来油掺混输送优化模型,得到了能耗费用随黏度、输量指数变化的关系,实现了对不同黏度掺混原油顺序输送的能耗费用的优化,为管道新增不同性质原油的安全经济掺混输送提供了技术支持。
双金属复合氢氧化物(LDHs,又叫水滑石)因具有层状结构、稳定的物化性质和电子特性等优点,可以大范围地应用在污水处理中。目前,水滑石作为光催化剂及其复合材料在污水处理上的应用受到越来越多的关注。综述了水滑石光催化剂的制备及其改性,着重介绍了不同类型水滑石对水中不同污染物的去除效果,并简要阐述了水滑石光催化剂的作用机理和研究现状。最后,展望了水滑石光催化剂的发展趋势,以期为后续水滑石在污水处理上的应用提供借鉴。
在大庆龙西区块扶余油层开发过程中发现,该扶余油层中含硫化氢(H2S)且存在其质量浓度超过阈限值(15.0 mg/m3)的情况,但其生成H2S机制尚不明确。采用室内H2S生成机理实验与基于PHREEQC和CMG软件的数值模拟相结合的方法,开展了龙西区块地层生成H2S的机理研究。结果表明,高温储层(100~125 ℃)生成H2S的机理为硫酸盐热化学还原反应,H2S的质量浓度为3.20~6.10 mg/m3;低温储层(≤60 ℃)生成H2S的机理为硫酸盐还原菌(SRB)还原反应,H2S的质量浓度最高可达29.70 mg/m3;压裂液通过降低近井地带温度,促进了SRB的繁殖,短时间内生成的H2S质量浓度较采出水中SRB生物还原反应提高了7.5倍;1 m3酸液与0.80 mol FeS的岩心和堵塞物反应生成H2S的质量浓度分别为3 330.69、11 466.75 mg/m3。因此,压裂和酸化是龙西区块扶余油层开发生成H2S的主要机理。
清洁和可再生能源技术的发展被视为解决能源和环境问题的关键。电催化分解水过程中的析氧反应(OER)在太阳能和风能等间歇式能源存储方面发挥着关键作用。环境友好的中性环境下的OER受到了很大的关注,然而其电解水析氧效率远低于在碱性或酸性条件下电解水析氧效率。基于此,首先概括了目前研究者对中性环境下OER机理的认识;介绍了几种重要的原位跟踪OER电催化过程的表征技术,并概述了包括Co基、Ni基和Mn基等中性环境下的OER催化材料;最后,对促进中性环境下电催化分解水OER面临的挑战进行了总结,并提出了可能的解决策略。
利用N-十二烷基琥珀酸酐、L-亮氨酸和聚醚醇为原料合成了两种非离子型表面活性剂,并通过核磁共振氢谱验证了分子结构;通过表面张力仪分别测试了两种非离子型表面活性剂在不同浓度下的表面张力,并根据γ-lgc曲线确定了临界胶束浓度;通过析水率研究了表面活性剂的乳化性能;使用分子动力学模拟技术,研究了表面活性剂在油水界面处的聚集形态以及与油和水之间的作用。结果表明,与表面活性剂1相比,表面活性剂2含更多的非离子亲水组分,因此降低表面张力效果更好;表面活性剂1及表面活性剂2的临界表面张力(γCMC)分别为25.54、24.46 mN/m;在低浓度下,两种非离子型表面活性剂均具有较高的析水率,乳化效果不佳,但在高浓度下乳化效果较好,采用两种非离子型表面活性剂制备的乳液均具有一定的稳定性;表面活性剂分子的静电势分布影响了其亲水和亲油的性质。
人类活动导致的CO2过量排放,是造成全球气候变暖的主要原因,因此亟需一种能够有效控制CO2浓度增长的方法。直接空气捕获技术是目前唯一能够大规模实现碳排放负增长的技术。固体胺吸附剂,特别是硅载体固体胺吸附剂,因其具有高吸附能力、抗腐蚀、低能耗等优点,被广泛研究并用于环境空气中捕获CO2。将硅基固体胺吸附剂按照负载方式进行分类,并归纳了不同硅基载体对吸附剂性能的影响;提出粉末状固体胺吸附剂在工业应用中遇到的难题,整理并分析了固体胺吸附剂当前的成型方法;指出了开发高吸附量、高稳定性的成型固体胺吸附剂是CO2吸附剂工业化的未来趋势。
二氧化钛(TiO2)是一种传统的光催化剂材料,但由于其自身带隙宽(3.2 eV)及光生载流子易复合,往往需要通过贵金属或过渡金属掺杂、阴离子掺杂、构建异质结等手段增强其对太阳光的有效吸收,促使光生载流子分离并抑制其复合。采用两步法构建TiO2/CdS异质结,首先通过多重电压阳极氧化法制备结构化的TiO2纳米管阵列,再以TiO2纳米管为基底,通过化学浴沉积法在TiO2纳米管管壁内外均匀生长CdS量子点。通过X射线衍射、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外?可见光谱(UV?VIS)对TiO2/CdS异质结组成、形貌和光学性质进行了表征。结果表明,构建的TiO2?CdS异质结有效抑制光生载流子复合,促进激发电子的转移,提高光催化产氢效率;样品TiO2(1.0)?CdS(1.0)产氢效率达到1.30 mmol/(g ? h),是CdS量子点的1.67倍。最后,基于实验分析提出了可见光光解水制氢过程中光生电子在TiO2?CdS上的转移机制。
利用可再生能源CO2电化学还原制CO是实现“碳中和”目标及可再生能源储存的有效途径之一。简述了CO2电化学还原的优势及基本反应原理,综述了近年来水溶液中CO2电化学还原制CO金属电催化剂的研究进展。从制备纳米粒子并调控其组成和结构、构筑合金、设计金属中心和配体与载体的结构以及开发单原子催化剂等方面,重点讨论了单金属纳米催化剂、双金属催化剂、金属有机络合物催化剂和单原子催化剂对CO2电化学还原制CO性能的影响及相关反应机理,总结了各类催化剂的优缺点,对CO2电化学还原制CO金属催化剂的发展方向进行了展望。
环己基苯(CHB)是一种重要的化学中间体,具有特殊的物理化学性能,可用作锂离子电池的电解质添加剂,少量添加即可防止过度充电并确保电池的循环性能和寿命;CHB在用于过氧化反应合成苯酚中时可生成另一种重要的有机化工产品——环己酮。介绍了3种合成CHB方法中使用的催化剂,这3种方法包括苯与烷基化试剂的傅克烷基化反应、联苯选择性加氢反应以及苯加氢烷基化反应;指出了开发兼具高酸量和高介孔体积的沸石分子筛催化剂是苯加氢烷基化制备CHB的关键。
以六水合硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O)为镍源、六水合硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)为钴源、尿素为沉淀剂,采用水热法制备NiCo2O4纳米棒,然后浸渍还原RuCl3,得到了NiCo2O4/Ru复合催化剂。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等测试技术,对复合催化剂的物相、形貌进行了表征。通过线性扫描伏安法(LSV)、电化学阻抗谱(EIS)等电化学测试手段,对催化剂的氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)的催化性能进行了研究。将NiCo2O4/Ru复合催化剂作为正极组装锌空电池,使用蓝电电池测试仪评价了其开路电压、充放电性能和循环稳定性等指标。结果表明,NiCo2O4/Ru复合催化剂在电流密度为10.0 mA/cm2时,析氧过电位为420 mV,氧还原半波电位为0.77 V,且具有较高的ORR/OER双功能催化活性;由NiCo2O4/Ru复合催化剂组装的锌空电池开路电压为1.37 V,峰值功率密度为143 mW/cm2,且能稳定循环50 h。
与常用气液鼓泡塔相比,管式气液接触器通过在管道空间内产生的均匀气泡状高分散体系强化气液传质过程,具有含气率高、能耗低和维护简单等优点。自主设计研制了带文丘里射流气泡发生器的微气泡型管式气液接触器;利用计算流体动力学(CFD)数值模拟和室内实验相结合的方法,对其所涉及的成泡机理、气泡粒径分布特性等进行了系统研究。结果表明,采用体积分数法(VOF)模型耦合RNG k-ε湍流模型可模拟分析微气泡型管式气液接触器内成泡机理和气泡形态;在文丘里射流气泡发生器的扩张段内可将大气泡剪切破碎成微气泡,且微气泡均匀稳定;气泡粒径随液体流量的增大而减小,在液体流量为14.0 L/min、气体流量为最大自然吸气量、柱体长度为800 mm时气泡粒径最小(76.5 μm);气泡粒径随气体流量的增大而增大,在气体流量为1.5 L/min、液体流量为8.0 L/min、柱体长度为800 mm时气泡粒径最小(86.7 μm);气泡粒径随柱体长度的增大呈现先降低后基本不变的趋势,当柱体长度大于800 mm时,其对气泡粒径的影响较小。
利用原位红外光谱技术考察了HY分子筛和镧离子改性Y(LaHY)分子筛的氢转移反应性能;结合分子筛晶体结构、织构性质和酸性质等表征数据,探讨了稀土改性以及水热处理对Y分子筛氢转移反应性能的调控机制。结果表明,Y分子筛的Brønsted(B)酸密度和强酸强度减弱,同时落位于超笼中的稀土物种形成弱Lewis(L)酸位,超笼中B酸和L酸位点的协同作用促进了氢转移反应的发生;经过水热处理,HY-LH和LaHY-LH分子筛的总酸量显著减少,同时超笼中与稀土物种有关的L酸中心完全消失,显著降低了HY分子筛氢转移反应性能。研究成果可为深入理解催化裂化反应过程中氢转移反应的规律,以及调控烯烃产物选择性和抑制结焦失活等提供理论指导。
利用太阳能光催化降解污染物,是解决水污染问题并实现太阳能转化最有前途的技术之一。应用煅烧法,以六水合硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)、尿素(NH4CNO)为原料,通过改变g-C3N4的加入量,制备了g-C3N4质量分数不同的g-C3N4/Co3O4催化剂;利用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见吸收光谱(UV-vis DRS)测试,对催化剂进行了分析和表征;为推测催化剂的活性物种,对其进行了捕获剂实验。结果表明,g-C3N4与Co3O4的协同作用可提高两相界面间载流子的转移和分离效率;在可见光下,g-C3N4质量分数为10%的g-C3N4/Co3O4对四环素的降解效果最佳,降解率为66.50%,高于纯Co3O4对四环素的降解率(35.90%);催化剂的活性物种主要为超氧自由基(·O2-)和空穴(h+);Co3O4与g-C3N4的复合,改善了Co3O4电子-空穴对复合过快、带隙小和光吸收能力弱等不足,为今后有机污染物的降解提供了思路。
钠离子电池(SIBs)具有资源丰富、成本低廉及供应风险低等优势,被认为是极具潜力的下一代电化学储能器件。目前,五氧化二钒(V2O5)正极材料因具有高工作电压及高理论容量等优点,逐渐成为SIBs正极材料的研究热点。然而,V2O5正极材料的低离子扩散系数、低电导率及反复的离子嵌入/脱嵌所致的结构不稳定等缺点,限制了其在SIBs中的应用。分析了V2O5正极材料的晶体结构和储钠机制,并通过形貌控制、晶体结构修饰、化学预插入以及与其他材料复合等改性方法,综述了V2O5正极材料在SIBs中的研究进展,最后对V2O5正极材料的发展趋势进行了展望。
Al2O3载体的性质是影响丙烷脱氢Pt?Sn/γ?Al2O3催化剂性能的关键因素。采用450、650、850 ℃三种焙烧温度制备了γ?Al2O3载体,运用XRD、XRF、NH3?TPD、Py?FTIR、CO?FTIR、OH?FTIR等表征手段系统研究了载体和其负载型催化剂的结构和性质,使用固定床在线分析微型反应装置评价了丙烷脱氢反应性能,并对气相产物分布和结焦性质进行了分析。结果表明,随着焙烧温度的升高,γ?Al2O3载体的表面酸量减少,850 ℃高温焙烧几乎完全消除了表面弱L酸中心,这说明γ?Al2O3表面配位不饱和Al位点和表面-OH数量随焙烧温度的升高而减少,这一特征不利于金属活性中心的高度分散;CO?FTIR和TEM表征结果均证实了在Pt?Sn/γ?Al2O3?850催化剂上形成了更大的Pt团簇,更多的饱和配位Pt活性相结构会促进深度脱氢等副反应的发生,降低丙烯产物的选择性。
对粉末电催化剂进行电催化性能测试时通常需要加入黏合剂,该测试容易导致催化剂电阻增加,催化剂负载量减少,并且在长时间测试下催化剂容易被剥离。采用一步水热法使Ce掺杂CoFe层状双金属氢氧化物在碳布上均匀生长,并进一步磷化处理直接获得了无需黏合剂的Ce-CoFe-P@CC自支撑电极材料;通过XRD、SEM、TEM、N2吸附-脱附等温曲线和XPS对电极材料进行表征,并对其进行了电催化OER性能测试。结果表明,合成得到的电极材料具有规则的纳米片形貌,纳米片长度和厚度分别为2.50 μm和0.05 μm;Ce和P的掺杂优化了CoFe-LDH电子结构,促进了电荷转移,增加了催化活性位点,提高了电极的耐久性;Ce-CoFe-P@CC在10 mA/cm2的电流密度下只需187 mV的过电势,表现出优异的OER催化性能。
碳排放量的不断增加导致环境问题日益严重,寻找解决途径已成为全球共同关注的焦点。通过光催化、电催化还原CO2可以将其转化为有用的燃料或化学品。TiO2因具有化学性质稳定、催化活性高、价格低廉、无毒无污染等优点而备受青睐。综述了光催化CO2还原和电催化CO2还原的反应机理;阐述了TiO2在光催化和电催化还原CO2中的应用和优势、不同表面改性技术对TiO2的催化性能的影响以及TiO2的形貌对CO2还原催化活性和选择性的影响;对TiO2基催化剂催化性能的提升方法进行了讨论。综述为可持续碳转化提供科学基础,并有助于进一步实验和理论探索TiO2的作用机理。
以史南油田L11断块沙二段(S2)的断块油藏为例,运用测井、岩心、分析化验及生产动态资料,分析了河口坝砂岩体夹层的岩石及层次类型,描述了夹层的空间展布规律,阐明了夹层对剩余油分布的影响。结果表明,L11断块主力油层的泥质、物性和钙质夹层的占比分别为68%、21%、11%;钙质夹层集中发育在物性夹层分布区,距离物源较近的东北部、夹层尖灭处物性夹层发育程度较高,距离物源较远的西南部泥质夹层发育程度较高。近源方向5级构型界面较薄,远源方向较厚,厚度为0.60~29.00 m;4级构型界面夹层钻遇率在60%以上,厚度为0.35~4.10 m,倾角小于2.0°;3级构型界面夹层展布不超过3个井距,厚度小于1.50 m,平均倾角为2.7°。4级、5级构型界面对剩余油的分布起到了控制作用,3级构型界面对剩余油分布的影响较小,低注高采模式开发效果较好,高注低采模式开发效果较差,通过注采模式可以提高井组驱油效率及开发效果。以上成果及认识对河口坝砂岩油藏的高效开发具有重要的指导意义。
二维过渡金属碳化物和氮化物(MXenes),因具有高效的吸附催化性能、较宽的光吸收范围和良好的导电性等优点,已成为具有广泛应用前景的明星材料。掺杂Ni原子的Nb2C材料具有优异的光催化性能,为了探索Ni掺杂Nb2C提高光催化性能的内在机制,基于密度泛函理论(DFT),研究了Nb2C及其Ni功能化形式(即Ni?Nb2C)的电子结构性质及其对CO2气体分子的吸附性能。结果表明,Nb单原子被Ni单原子取代,导致Ni原子周围的电荷密度增加和基底电荷密度的再分配,从而改善了光催化CO2的电子环境,提高了对CO2气体的光催化性能。
由于全氟化合物中有很稳定的碳氟键,因此如何高效地去除受污染水体中全氟辛酸(PFOA)是一项挑战。采用纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体(DBD)对水中难降解有机污染物PFOA进行降解处理,考察了放电气氛、放电功率等放电参数以及气体流量和液体流量等反应条件对PFOA去除率的影响。结果表明,在放电气氛为Ar、放电功率为11.84 W、气体流量为3.33 L/min、液体流量为0.28 L/min的条件下,DBD对PFOA具有较好的降解效果,反应60 min后PFOA去除率可达94.0%以上。结合发射光谱和自由基猝灭分析,确定破坏PFOA的分子结构、实现反应物高效降解的主要活性物种是e-、?OH、H2O2、O3。该技术可为PFOA去除提供有效的解决方法。
以二水合氯化铜、四水合氯化锰为原料,通过一步水热法制备了Mn3O4/CuMnO2异质结构催化剂CMO-A(A为水热合成温度);通过X射线粉末衍射仪对不同合成温度下制备的样品进行了组成分析;以汞灯为光源,50 mg/L罗丹明B(RhB)溶液作为污染物模型,对所制备CMO-A样品的光芬顿反应性能进行了测试;向反应体系中加入牺牲剂,结合对照实验探究了反应机理。结果表明,在反应温度为150 ℃时合成的样品CMO-150对RhB溶液的降解效果最好,降解时间为15 min时降解率可达98.01%;0.2 mol/L H2O2、50 mg CMO-150催化剂、50 mg/L RhB溶液、pH=3.0为最佳反应条件;经过5次循环后,降解时间为15 min时降解率仅下降22.24%;反应的主要活性物种为羟基自由基(·OH);结合对照实验,对反应机理进行了探究。