Fe、Ir掺杂MoS_(2)表面对N_(2)气敏吸附与解离反应性能提升的第一性原理研究

基于第一性原理方法,采用周期性平板模型,研究了N_(2)分子在掺杂体系TM-MoS_(2)(TM=Fe、Ir)表面的吸附和解离行为.研究表明:N_(2)分子在TM-MoS_(2)(TM=Fe、Ir)表面吸附能依次为0.62和0.47 eV,而完整MoS_(2)表面的吸附能只有0.08 eV,说明掺杂之后对N_(2)表现出略好的吸附性能.差分电荷密度分析表明,N_(2)吸附后,掺杂Fe、Ir原子与两个N原子之间电荷有所增加,N-N键之间的区域电荷密度减少,N-N键的强度减弱.态密度计算结果发现,N_(2)在吸附过程中,主要是N原子的2p_(y)、2p_(z)轨道与Ir的5d_(xy)和5d_(z^(2))以及Fe的3d_(xy)和3d_(z^(2))发生杂化作用.通过分析解离活化能,N_(2)在掺杂体系TM-MoS_(2)(TM=Fe、Ir)表面解离需要活化能均较高,且远大于在相应掺杂表面的吸附能,说明N_(2)在掺杂体系TM-MoS_(2)(TM=Fe、Ir)表面解离应该表现为分子吸附或脱附.

CO_(2)-ESGR 技术全生命周期碳排放分析

在页岩气井开采后期,将CO_(2)注入页岩气藏可在提高页岩气采收率的同时实现CO_(2)地质封存(CO_(2)-ESGR),但目前对于CO_(2)-ESGR技术减碳潜力尚缺乏从全生命周期角度进行的研究。为此,分别以重庆市双槐电厂、涪陵页岩气田作为CO_(2)源和汇,采用全生命周期评价方法,建立了CO_(2)-ESGR技术全过程CO_(2)排放量核算模型,进而基于多场耦合作用下CO_(2)、CH_(4)渗流数学模型得到了CO_(2)封存量及页岩气产量,并系统核算了CO_(2)-ESGR全过程CO_(2)排放量,分析了CO_(2)注入压力、页岩中CO_(2)相对CH_(4)的吸附选择性系数(αCO_(2)/CH_(4))等参数对CO_(2)净减排量的影响。研究结果表明:①CO_(2)注入压力和αCO_(2)/CH_(4)对于CO_(2)净减排量具有重要影响,αCO_(2)/CH_(4)越大,CO_(2)净减排量越大,CO_(2)注入压力增加,CH_(4)累计产量、CO_(2)封存量、CO_(2)净减排量均越大,不同CO_(2)注入压力条件下CO_(2)净减排量为0.85~2.06 tCO_(2)/tCH_(4),而在不同αCO_(2)/CH_(4)条件下可达1.59~5.45 tCO_(2)/tCH_(4);②CO_(2)捕集、运输、注入环节是影响CO_(2)-ESGR技术全生命周期CO_(2)净减排量的关键因素,需要考虑不同行业组合、源汇匹配情况对CO_(2)净减排量的影响,进而对全流程CCUS工程实施方案进行优化。结论认为:①该CO_(2)-ESGR工程CO_(2)封存量大于CO_(2)捕集、运输、注入及页岩气生产与利用环节的CO_(2)总排放量,可实现CO_(2)-ESGR全过程CO_(2)负排放,说明CO_(2)-ESGR是实现中国“碳中和”的重要技术路径之一;②下一步研究应综合考虑CO_(2)注入时机、压力、速率等工程参数以及页岩气储层条件等地质因素对于CO_(2)封存量和净减排量的影响,对CO_(2)-ESGR系统进行优化。

铀对α-Al_(2)O_(3)中氢与本征点缺陷相互作用的影响

在长期高温服役过程中,铀床的氚渗透泄露问题是聚变堆涉氚系统中需要关注的焦点之一,而一种行之有效的解决思路是在内壁制备阻氚涂层.然而,服役过程中通过热扩散渗入涂层内部的铀可能在阻氚涂层氢行为中起作用,进而影响其服役可靠性.基于此,采用第一性原理计算方法,研究了铀对α-Al_(2)O_(3)中氢与本征点缺陷相互作用的影响.结果发现,铀对α-Al_(2)O_(3)中空位型本征点缺陷及氢相关缺陷的存在形式、电荷态及相对稳定性有重要影响.从形成能观点来看,铀对α-Al_(2)O_(3)中空位型本征点缺陷及氢相关缺陷的形成有利,且α-Al_(2)O_(3)中空位型点缺陷对氢的捕陷能力因铀的引入显著增加.研究结果对α-Al_(2)O_(3)基内壁阻氚涂层在氚工艺系统铀床中应用的可靠性评估具有重要的指导意义.

深层高阶煤层CO_(2)-ECBM技术研究与应用启示——以沁水盆地晋中地区为例

深层高阶煤层资源潜力大,但具有“强吸附、难解吸”的特点,常规开发方式难以实现效益动用。与化学驱、热力驱等其他提高采收率技术相比,CO_(2)-ECBM(CO_(2)地质封存及强化煤层开采)技术具有节能减排和提高煤层气采收率双重效益。为明确CO_(2)吸附、解吸特性,论证CO_(2)-ECBM技术提高深层高阶煤层气采收率可行性,助力深层高阶煤层气产能释放,以沁水盆地晋中地区为研究对象,开展深层高阶煤层CO_(2)吸附、解吸特征研究实验。研究结果表明,随着平衡压力的增加,煤层对CH_(4)的吸附量逐渐增加,而受煤层孔裂隙发育特征及CO_(2)特征影响,煤层对CO_(2)的吸附量呈先持续上升再在临界压力附近骤降后大幅上升的特征。深层高阶煤层对CO_(2)的吸附能力约为CH_(4)的2~5倍,超临界CO_(2)在煤层中的吸附能力更强,CO_(2)的敏感解吸压力为CH_(4)的3/4,且吸附于煤层后,CO_(2)呈现出明显的吸附、解吸滞后特征,大比例CO_(2)以吸附封存和残余封存形式滞留在煤层中无法脱附,成为实现大规模封存CO_(2)和替换CH_(4)的有利条件。通过实验结果分析,明确了深层高阶煤层气开展CO_(2)-ECBM具备大幅提高采收率的可行性。矿场应用中,可通过超前注气、加大注入压力等方式提高气藏压力水平,提升竞争吸附效率,同时低敏感解吸压力也表明注入CO_(2)后返排率较高,需考虑CO_(2)循环利用。

页岩油储层前置CO_(2)压裂返排提高原油动用机理--以长庆油田为例

通过系列实验探究CO_(2)压裂返排纳微米孔隙原油动用特征,对比分析了不同层位动用差异及动用机理。结果表明:页岩岩心CO_(2)压裂返排驱油效率平均达到60%左右,其中大孔原油贡献度超过70%,残余油主要分布在小孔。CO_(2)返排驱油过程,长8和长7层采出程度接近,均好于长6层岩心。长8和长7层增能系数比长6层提高9.5和3.8倍,具有更好的增能效果。压裂过程前置CO_(2)能够在返排过程中抽提原油中的低碳数组分,C 13以下增加6.2%,C 13—C 33减少7.5%。CO_(2)在改变岩石润湿性的同时,促使原油在纳微米孔隙中形成连续相,进而减少气液相界面运移阻力。CO_(2)返排驱油可有效降低孔喉原油动用下限,最低可达149 nm。

古龙页岩油注CO_(2)补能提高采收率机理及参数优化

松辽盆地北部古龙凹陷青山口组是陆相纯页岩型页岩油藏,储层纳米孔隙发育,渗透率极低,弹性开发地层能量衰减快,产量递减快,如何有效地补充地层能量及提高采收率是亟待解决的难题。针对古龙页岩油储层特征,开展了注CO_(2)补能及提高采收率的分子模拟、室内实验及数值模拟研究,通过分子模拟评价了CO_(2)的置换能力及扩散速率,通过注CO_(2)室内实验评价了CO_(2)与原油接触后的膨胀能力、混相压力,通过数值模拟方法对注CO_(2)的不同注入参数进行了设计优化。结果表明:CO_(2)对孔隙边界层具有较强的置换能力,并且具有较高的膨胀系数和较低的混相压力,在原始地层条件下即可实现混相;数值模拟设计优化单井吞吐注入速度为200 t/d,最优闷井时间为30 d,最优吞吐周期为5轮,页岩油注气吞吐可实现能量补充及增油效果,预计单井累计增油4 523 t。研究成果对古龙页岩油注气开发方案的编制具有重要的指导意义,为古龙页岩油效益开发提供了有力的技术保障。

新型倒置A^(2)/O耦联MBR组合工艺处理农村低C/N废水的研究

针对农村低C/N污水污染物和营养盐去除率差的问题,以倒置A^(2)/O耦联膜生物反应器(MBR)组合工艺为探究对象,通过控制进水污染物浓度,在中温条件下考察了有机负荷(OLR)对倒置A^(2)/O耦联MBR组合工艺处理农村低C/N污水的影响。结果表明,OLR由150 mg/L提高至450 mg/L时,总氮(TN)和溶解性磷酸盐(SOP)去除率分别由67.6%和86.6%提高至72.4%和94.3%,进一步提高OLR降低了组合工艺对污染物和营养盐的去除。此外,OLR能影响新工艺内污泥特征,提高OLR促进了胞外聚合物(EPS)分泌,尤其在OLR为600 mg/L组别内,EPS含量提高至139.6 mg/g。进水OLR对缺氧池内EPS的影响要大于其对厌氧池内EPS的影响。OLR能影响新工艺内污染物和营养盐去除相关关键酶的活性,当OLR为450 mg/L时,污染物和营养盐去除相关关键活性酶最强。研究结果为农村低C/N污水的高效处理提供了理论依据和数据支撑。

倒置A^(2)/O+A生化法+膜法+磁混凝法污水处理工程实例

采用“倒置A^(2)/O+A生化法+膜法+磁混凝物化法”组合工艺处理污水,分析了工艺特点,并详述了主要构筑物及设备参数。该组合工艺处理效果优良,除磷脱氮效果好,出水COD、TP、NH_(3)-N、TN月均值分别为28、0.2、0.3、6.06mg/L,达到了DB32/1072—2018《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》其他区域污染物排放标准,其中COD、TP和NH_(3)-N三个指标达到了GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类水排放标准。

氮硫共掺杂生物炭的制备及其对Ni^(2+)和Co^(2+)的吸附

以芦荟皮为原料、(NH_(4))_(2)SO_(4)为氮源和硫源,采用水热法制备了炭前驱体,再经高温热解制备了氮硫共掺杂生物炭(NSBC)。采用SEM、BET、XPS、Zeta电位对其进行了表征,考察了不同温度热解制备的NSBC对水溶液中Ni^(2+)、Co^(2+)的吸附性能,探究了NSBC吸附Ni^(2+)、Co^(2+)的热力学和动力学过程,分析了温度和pH对其吸附性能的影响,并推测其吸附机理。结果表明,NSBC表面为层片状堆积的多孔结构,热解温度800℃制备的NSBC_(800)具有分级多孔结构,微孔总体积0.07 cm^(3)/g,比表面积149 m^(2)/g,非微孔体积占比46%,其表面具有摩尔分数29.94%的O元素、4.79%的N元素和6.21%的S元素。NSBC_(800)对Ni^(2+)和Co^(2+)的最大平衡吸附量分别为245.70和223.71 mg/g。NSBC表面由O、N和S元素组成的化学官能团吸附Ni^(2+)和Co^(2+)反应生成盐或络合物,沉积在生物炭表面;Langmuir模型和拟二级动力学模型描述的NSBC对Ni^(2+)和Co^(2+)的吸附表明,该过程由化学吸附控制,通过络合作用、共沉淀、离子交换和静电吸引等机制实现对Ni^(2+)和Co^(2+)的吸附。

具有优异热稳定性的Sr1-xZrSi_(2)O_(7):xDy^(3+)荧光粉的制备及其发光性能

采用高温固相法制备了Sr_(1-x)ZrSi_(2)O_(7)∶xDy^(3+)荧光粉,并用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和荧光光谱仪对其晶体结构、形貌、光致发光特性和热稳定性进行了研究。结果表明,该荧光粉可以在353nm的近紫外光激发下获得蓝光(493nm)和橙红光(581nm)发射峰,这2个峰分别归属于Dy^(3+)离子的^(4)F_(9/2)→^(6)H_(15/2)和^(4)F_(9/2)→^(6)H_(13/2)能级跃迁。在该荧光粉中,Dy^(3+)的猝灭浓度为0.03,猝灭机制是偶极-偶极相互作用。当温度升高到150℃时,其发光强度仍可以保持室温的83%,具有良好的热稳定性。

MnCe-Al_(2)O_(3)球形颗粒的制备及其催化燃烧环己烷性能

挥发性有机物(VOCs)的大量排放会导致环境污染和健康危害,催化燃烧是高效降解VOCs的重要手段之一.采用海藻酸盐溶胶-凝胶法合成了MnCe-Al_(2)O_(3)球形颗粒作为环己烷催化燃烧催化剂,结果表明,Mn催化剂中适当添加Ce可提高MnOx的分散性,降低催化剂H_(2)-TPR还原温度.催化剂中Mn和Ce摩尔比为3∶1、煅烧温度650℃时,催化剂催化燃烧环己烷活性最高,可以在345℃实现环己烷的完全转化.反应24 h后,催化剂仍显示出几乎100%的环己烷转化率,表现了良好的催化稳定性.与浸渍法制备的催化剂相比,MnCe-31-Al_(2)O_(3)-650催化剂活性更高.

TiO_(2)-WS_(2)异质结的制备及其在医药废水处理中的应用

通过水热法原位合成了TiO_(2)-WS_(2)异质结样品,采用XRD、Raman、XPS、SEM、TEM、HR-TEM、BET、UVVis DRS、PL和EIS技术对样品的结构组成和光电性质进行分析,以环丙沙星为目标污染物,对样品的光降解性能进行评价。研究结果表明:TiO_(2)-WS_(2)异质结样品能够提高光生载流子的分离效率,使得TiO_(2)-WS_(2)样品在光催化降解环丙沙星时展现出了优异的活性,经过120 min光照后,对环丙沙星的达到了94.8%,较TiO_(2)样品和WS_(2)样品降解率明显提高,自由基捕获实验表明·OH和·O_(2)-为TiO_(2)-WS_(2)样品光催化降解环丙沙星过程中的主要活性物种。

见光诱导催化合成3,4-二氢异喹啉-1(2H)-酮及其衍生物

建立了一种在温和条件下,用可见光催化合成一系列3,4-二氢异喹啉-1(2H)-酮及其衍生物的方法。该方法在室温条件下,以2-烯丙基-N-甲氧基苯甲酰胺为模板底物,以碘化钾作为光催化剂,25 W 460 nm的蓝色LED灯照射下,合成一系列3,4-二氢异喹啉-1(2H)-酮衍生物,最高产率可达到83%。该合成路径具有底物适用范围广、经济实用等特点,为3,4-二氢异喹啉-1(2H)-酮衍生物合成提供了一种经济简便的方法。

玻璃纤维复合材料结构对CO_(2)管道外部止裂性能的影响

【目的】碳捕集、利用与封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)是目前中国实现“双碳”战略目标的关键技术,CO_(2)管输则是实现规模化CCUS的重要环节。CO_(2)管道本身存在各类缺陷,受CO_(2)特殊的减压特性及管道内压的影响,管道缺陷发展成初始裂纹并产生延性扩展的风险大大增加,严重威胁管道运输安全。【方法】为使CO_(2)管道实现有效止裂,采用有限元软件ANSYS建立玻璃纤维复合材料外部止裂结构模型,基于EPRI(Electric Power Research Institute)的J积分理论公式与应力分布理论计算公式对所建模型进行可靠性验证,分析外部止裂结构铺设角度、铺设厚度、铺设长度、管道径厚比以及裂纹尺寸等因素对其止裂性能的影响,最后结合延长油田400×10^(4) t/a超临界CO_(2)输送方案的L21管道对外部止裂结构模型进行评估。【结果】玻璃纤维复合材料外部止裂结构可以有效转移并承担管道所受应力,降低管道发生延性断裂的风险;止裂结构铺设厚度、铺设长度、管道径厚比及裂纹尺寸均与止裂性能正相关,而铺设角度则存在最优值。止裂结构的止裂性能由各影响因素共同决定,其中铺设厚度的影响最大,而铺设角度的影响最小。止裂结构的最佳性能尺寸为:铺设厚度与管道壁厚相等、铺设长度为0.8倍管道外径、铺设角度为60°。【结论】铺设厚度为12 mm、长度为326 mm的外部止裂结构可有效阻止L21管道的延性断裂,研究结果可为外部止裂结构的设计提供理论基础与参考范例。

Ti_(2)AlNb粉末合金制备及力学性能影响

热等静压工艺是常见的粉末Ti_(2)AlNb合金制备方法,为深入研究制粉工艺等因素对粉末Ti_(2)AlNb合金组织性能的影响,分别采用等离子旋转电极雾化法和无坩埚感应熔炼超声气体雾化法制备Ti_(2)AlNb洁净预合金粉末,并对2种工艺制备的预合金粉末以及二者的混合粉末进行表征。通过热等静压工艺制备Ti_(2)AlNb合金,研究制粉工艺、包套泄漏形成的孔隙缺陷及夹杂物对Ti_(2)AlNb合金显微组织与力学性能的影响,并采用优化的工艺进行多种Ti_(2)AlNb粉末合金构件的成形。实验结果表明:制粉工艺会影响粉末合金的持久性能,包套泄漏引起的孔隙缺陷会显著降低粉末Ti_(2)AlNb合金的力学性能,夹杂物会显著影响粉末合金室温拉伸性能的一致性与稳定性。

N_(2)H_(4)强化常温低NH_(4)^(+)-N亚硝化系统的稳定运行研究

为获得稳定的亚硝化过程,研究通过投加联氨(N_(2)H_(4))强化了低NH_(4)^(+)-N亚硝化系统在常温下的运行效能,并探究了该策略对硝化过程关联菌群特性的影响。结果显示,在温度由35℃降低至20℃的过程中,NH_(4)^(+)-N转化率(Ammonia-Nitrogen Conversion Rate,ANCR)和亚硝积累率(Nitrite Accumulation Rate,NAR)逐渐降低,分别由60%和31%下降至45%和9.39%。通过投加5 mg/L N_(2)H_(4),可使ANCR和NAR分别提升至61.36%和75%以上。亚硝化主要功能菌-氨氧化菌(Ammonia-Oxidizing Microorganisms,AOB)(Nitrosomonas属)相对丰度提升至15%,干扰-亚硝酸盐氧化菌(Nitrite-Oxidizing Bacteria,NOB)(Nitrospira属)相对丰度被抑制在0.05%以下。AOB活性由(0.39±0.01)mg N/(g VSS·h)上升至(0.42±0.01)mg N/(g VSS·h)。功能基因预测分析发现,AOB的主要功能基因(氨氮加氧酶)相对丰度提升了20百分点,而NOB的功能基因(亚硝酸盐氧化酶)未被预测出,表明投加N_(2)H_(4)促进了亚硝化系统的稳定运行。

电催化O_(2)还原合成H_(2)O_(2)的催化剂及机制研究进展

过氧化氢(H_(2)O_(2))是一种环境友好型的化学品,具有强氧化能力,在消毒杀菌、环境处理、化学化工等领域被广泛应用.目前,工业生产H_(2)O_(2)主要依靠传统工艺,受困于诸多挑战,如蒽醌法能耗高、污染大,H2/O2混合法技术风险大、易爆炸.因此,迫切需要一种绿色、便捷、条件温和且可分散制取的方法来合成H_(2)O_(2).二电子氧气还原反应(2e-oxygen reduction reaction,2e-ORR)是一种以可再生电力驱动的、在温和条件下合成H_(2)O_(2)的绿色可持续的方法.4e-路径的强烈竞争降低了H_(2)O_(2)的选择性,导致产量和法拉第效率均低.因此,设计和开发高选择性的2e-ORR催化剂,以实现专一的H_(2)O_(2)合成路径,从而实现规模应用和升级工业合成路线,是目前急需解决的问题.尽管现阶段发展的2e-ORR催化剂已经取得显著进展,但距离规模化应用仍存在很大差距.基于此,对电催化2e-ORR合成H_(2)O_(2)的最新研究进展进行了综述.首先,介绍电催化合成H_(2)O_(2)的催化剂研究情况;其次,分析讨论催化机制及其影响催化性能的关键因素;最后,针对面临的关键问题提出提高电催化性能的策略及未来展望.

磁性纳米ZnFe_(2)O_(4)/Ag_(3)PO_(4)复合材料的合成及光催化降解性能

磁性纳米复合材料作为一种具有回收再利用特性的新型催化剂,在环境科学领域受到了广泛的关注.本研究用水热法合成了磁性纳米ZnFe_(2)O_(4)/Ag_(3)PO_(4)复合材料.X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射光谱(UV-vis DRS)和扫描电子显微镜(SEM)对合成的纳米复合材料进行了表征.同时,研究了ZnFe_(2)O_(4)/Ag_(3)PO_(4)复合材料在可见光下降解亚甲基蓝的催化性能.光催化降解结果表明,复合材料对亚甲基蓝的降解能力受ZnFe_(2)O_(4)与Ag_(3)PO_(4)的物质的量的比影响较大,当ZnFe_(2)O_(4)与Ag_(3)PO_(4)的物质的量的比为0.1∶1时,所得复合材料的光催化活性最高.与纯Ag_(3)PO_(4)相比,ZnFe_(2)O_(4)/Ag_(3)PO_(4)具有优异的结构稳定性和循环利用性能.循环4次后,ZnFe_(2)O_(4)/Ag_(3)PO_(4)的回收率为93.1%,光照60 min对亚甲基蓝的降解率为54.5%,回收率下降了5.1%,亚甲基蓝降解率下降了8.1%,而纯的Ag_(3)PO_(4)样品经过4次循环使用后,回收率下降了50.2%,亚甲基蓝的降解率下降了28.7%,说明ZnFe_(2)O_(4)的加入,提高了复合材料的稳定性和磁回收特性.自由基捕获实验表明空穴(h^(+))和超氧自由基(·O_(2)^(-))是亚甲基蓝降解反应中的主要活性物质.

珊瑚状Mo_(2)C/Mo_(3)P@NC异质结电极高效催化Li-CO_(2)电池

以ZIF-8为基底并在其框架结构中原位引入金属Mo,进行高温煅烧处理,成功得到多孔富缺陷碳基底耦合的Mo_(2)C和Mo_(3)P异质结(Mo_(2)C/Mo_(3)P@NC)催化剂,Mo_(2)C/Mo_(3)P@NC呈现出较大的比表面积和充分的活性位点,更重要的是诱导Mo向低价态δ(0<δ<4)过渡,改变材料表面电荷分布,增强的局域电荷位点Mo^(δ+)显著增加缺陷和活性位点,双价态Mo^(δ+)-Mo^(6+)位点构建出有利于CO_(2)吸-脱附,锂离子及电子迁移输运路径,在CO_(2)RR过程中稳定两电子产物Li_(2)C_(2)O_(4),并防止歧化成四电子产物Li_(2)CO_(3)。Mo_(2)C/Mo_(3)P@NC优异的催化特性驱动锂-二氧化碳电池遵循两电子反应路径(2Li^(+)+2CO_(2)+2e-→Li_(2)C_(2)O_(4)),电池充电电位和极化情况显著缓解,全放电容量高达10538m Ah/g,可逆充电容量为10521m Ah/g,库仑效率提升到99.8%;在电流密度为100m A/g下充电-放电电位差仅为0.7V,能以较小的电位差稳定循环1100h。

“双碳”背景下CO_(2)可视化环道实验装置研制

CO_(2)管道输送是实现碳规模化、长距离输送的重要途径,是推进碳捕集、利用与封存产业发展,实现“双碳”目标的关键技术。为探究CO_(2)管道输送过程中的相变及流动参数演化规律,指导CO_(2)输送管道设计和运行管理,该文设计并搭建了一种CO_(2)可视化环道实验装置,可实现对CO_(2)管道稳态输送及泄放等瞬态工况的准确模拟。为验证装置可靠性,开展了气相、超临界相CO_(2)管道泄放实验,获取了管内温度与压力、相态变化及其耦合规律。该装置具有测量精度高、安全性强及操作方便等优点,不仅适用于CO_(2)管道输送领域的科研测试,也可用于可视化教学实验。