有机液体储氢载体催化脱氢技术研究进展

绿氢(可再生能源制氢)的开发及利用是推动能源绿色转型和实现“双碳”目标的重点发展方向之一.然而,大规模绿氢的安全储运技术仍需进一步完善.以环烷烃/芳烃为主的有机液体储氢载体(LOHCs)体系因其高储氢密度、安全高效、运输方便等优势成为绿氢长距离大规模输送的关键技术.相比于工艺成熟的芳烃加氢技术,富氢LOHCs(环烷烃)脱氢技术开发的难度较大,是近年来研究的热点.本文系统综述了环己烷(CH)、甲基环己烷(MCH)、十氢萘(DHN)和全氢二苄基甲苯(H18-DBT)4类典型富氢LOHCs脱氢技术的研究进展.基于目前的研究结果,阐述了单环烷烃(CH、MCH)和多环烷烃(DHN、H18-DBT)的脱氢反应路径和机理,重点从活性组分和载体两方面总结了脱氢催化剂的设计思路、构效关系和研究进展,详细分析了基于不同模型的富氢LOHCs脱氢动力学,探讨了4类典型脱氢反应装置的优缺点.总体来讲,环烷烃作为LOHCs距离工业化应用还有一段距离,继续完善环烷烃脱氢动力学和脱氢机理、提高Pt系催化剂的催化活性和稳定性、开发具有实际应用意义的非贵金属催化剂以及优化反应器结构成为未来环烷烃脱氢技术研究需要聚焦的难点.

吸热型纳米流体燃料研究进展

吸热型纳米流体燃料是一种有潜力解决高超声速飞行器发动机过热问题的新型燃料。为探究吸热型纳米流体燃料的裂解性能,并为后续研究提供参考,首先介绍了纳米流体燃料的分散稳定性机理,并概述了其制备及提高稳定性的方法;其次,综述了吸热型纳米流体燃料的裂解研究进展,从纳米添加剂、有机保护配体及反应机理和路径等多方面分析了影响裂解的关键因素;最后对吸热型纳米流体燃料的未来发展趋势提出展望。

清净分散剂对高密度燃料热氧化安定性的影响

高密度燃料的热氧化安定性对其换热安全性乃至高超音速飞行器的飞行安全至关重要。在燃料中加入清净分散剂可减少热氧化沉积前驱体及沉积物的生成,有助于提高燃料的热氧化安定性。采用快速小型热氧化安定仪研究了不同清净分散剂结构对高密度燃料JP-10热氧化安定性的影响规律,结果表明:在140℃,700 kPa氧气压力下氧化5 h后,当高分子量聚异丁烯基丁二酰亚胺T161(分子量>1000)在JP-10(5 mL)中添加量为100 mg/L时,氧化沉积物的质量减少了56%(94.5 mg),且适当增加分散剂中非极性基团的链长和极性基团的体积,有利于提高JP-10的热氧化安定性;此外,当清净分散剂中极性基团位于分子中部时,对沉积物的抑制效果则更加显著。

航天推进用高密度液体碳氢燃料:合成与应用

高密度燃料已成为重要的航天推进液体燃料。简要介绍了国外高密度燃料的合成进展,包括JP-10,T-10,RJ-5,RJ-7等;重点介绍了天津大学的燃料研究进展,包括HD-01、密度大于1g/ml的燃料、四环庚烷、金刚烃燃料、生物质高密度燃料等,并报道了四环庚烷的自燃特性。为解决超声速飞行条件下燃料的点火及主动冷却问题,制备了油溶性纳米Pd和Pt颗粒添加剂,分别降低了JP-10的点火温度,提高了JP-10的裂解热沉。

高密度液体碳氢燃料合成及应用进展

介绍了高密度碳氢燃料合成及应用的最新进展。从原料、合成路线、性能特征、成本等方面评价了各种高密度碳氢燃料的优缺点和应用前景。分析了高密度碳氢燃料合成与应用的共性特征,提出燃料分子设计与定向合成、燃料复配等急需解决的问题,提出了下一步工作的重点。

甲烷二氧化碳介质阻挡放电转化产物分布研究

针对介质阻挡放电甲烷二氧化碳转化实验,分析了反应的产物分布,探讨了进料组成和反应器结构对反应的影响.反应产物包括:高H2/CO摩尔比的合成气、气态烃、高辛烷值的汽油组分、醇和酸等含氧有机物.对所述电极结构,产物的选择性随碳数增加而降低;高的甲烷进料浓度有利于烃的生成,对醇和酸的最佳甲烷进料体积分数范围在67.4%～75.1%;放电间隙越小,原料转化率和烃、酸的选择性越大,大的放电间隙对醇的生成有利.

冷等离子体处理制备NiO/SrTiO_3及其光催化水分解制氢性能研究

利用辉光放电等离子体处理改进常规浸渍法制备了NiO/SrTiO3光催化剂.XRD、XPS和TEM分析证明,金属颗粒在载体表面的分散性得到极大提高,并在反应中具有很好的稳定性.XPS、热重和XRD分析表明,等离子体处理使浸渍的Ni(NO3)2在常温下分解为晶化度较低的NiO团簇,该团簇可能与载体具有较强的相互作用.在光催化反应中,高分散的金属可以促进电荷传递,并提供更多的表面活性位.对于水分解制氢和甲醇溶液转化制氢反应,该催化剂的活性分别是常规催化剂的1.3倍和1.8倍.

高密度烃燃料合成进展

总结了液体高密度烃燃料合成的最新进展,从原料、合成路线、使用性能等方面评价了多环高密度烃、高张力笼状烃、纳米添加剂等的优缺点及发展前景,分析了高密度烃燃料合成中存在的问题,介绍了作者所在课题组在此领域的工作进展。

对提高液体燃料能量密度的思考

1.液体燃料的发展现状液体燃料是用于化学推进系统的液体化合物,是航天航空飞行器的能源。飞行器总是朝着不断提高速度、增加射程或提高载荷的方向发展,与之相对应,液体燃料的能量水平也在不断增加。从应用特性上看,飞行器可以大致分为两类。

含有纳米铝颗粒的高密度悬浮燃料研究

铝颗粒是一种高密度高能量的燃料添加剂,研究了一条通过表面改性使纳米铝颗粒分散在液体碳氢燃料中,进而制备高密度悬浮燃料的路线。采用三正辛基氧膦对铝颗粒进行表面改性,表征了改性颗粒的结构和在燃料中的分散稳定性,测试了悬浮燃料的密度、能量和粘度。结果表明,表面改性能够阻止铝颗粒的团聚和沉降,使其较长时间内稳定分散在高密度燃料HD-03中;含有铝颗粒的悬浮燃料的密度和体积热值显著提高,保持液体状态和良好流动性。其中,含有10wt%和30wt%铝颗粒时的燃料密度分别为1.06g/m L,1.14g/m L,体积能量分别为44.3MJ/L,45.4MJ/L,动力粘度分别为80m Pa·s,2000m Pa·s。

密度大于1的高密度液体碳氢燃料合成及复配研究

以双环戊二烯为原料合成了三种高密度燃料组元C10、C15及C20,其密度依次增加,但低温性质逐渐变差。为制备密度大于1且低温性质良好的高密度燃料,进行二元及三元复配,建立了复配燃料密度及低温粘度与组成的关系。C10可显著改善燃料的低温性质,而C20则可提高燃料密度。确定了兼具高密度和低粘度的燃料组成区域:C15为主组分,C10含量低于25%,C20的含量低于10%。此组成的复配燃料密度大于1 g.cm-3(15℃),净热值达42.0 MJ.L-1,粘度小于500 mm2.s-1(-40℃),倾点小于-70℃,具有良好的应用前景。

等离子体法制氢的研究进展

本文讨论了利用等离子体从各种含氢原料中制氢所表现出的特异性能。当使用天然气为原料大规模制氢时 ,等离子体法的高能量密度可以极大地减少催化剂的使用和缩小生产空间 ;当用其他碳氢化合物为原料制氢时 ,等离子体法可以提高系统的灵活性、多变性 ,尤其在车载制氢上。等离子体发生源的多样性和等离子体转换器宽裕的设计空间可为降低能耗提供坚实的发展基础。

分子筛催化endo-THDCPD异构制备exo-THDCPD

挂式四氢双环戊二烯是重要的高能量密度液体燃料,通过桥式四氢双环戊二烯异构反应制得,原有工艺采用污染严重的AlCl3作为催化剂,本文采用分子筛催化剂取代AlCl3,对分子筛筛选、表面酸性调节、反应条件优化和催化剂再生进行了研究。结果表明,具有较大孔径的Y型分子筛具有较高的活性,具有较多弱酸性中心的HUSY效果较佳,负载氟元素可以抑制中强酸位、增加弱酸位,提高反应选择性。最佳反应条件为:催化剂6.6%F/HSSY,反应温度195℃,催化剂浓度20%。在此条件下异构反应转化率为94.0%,选择性为98.4%,高温焙烧可以有效地使催化剂再生而不影响活性。

低温等离子体技术在催化剂领域的应用

低温等离子体技术在化学生产中的用途越来越广泛 ,它在催化剂领域的应用主要表现在以下几个方面 :超细颗粒催化剂合成 ,催化剂再生 ,催化剂表面处理 ,活性组分沉淀到基体以及低温等离子体系统中添加催化剂。经过低温等离子体制备或处理过的催化剂 ,其催化活性有显著提高。在等离子体反应系统中加入适当的催化剂 ,可以降低等离子体击穿电压 ,减少能量消耗 。

四环庚烷的制备及自燃性

具有高张力和笼状结构的四环庚烷(QC)是很具潜力的自燃类碳氢燃料。研究了无溶剂条件下公斤级QC的合成工艺。测试了QC/白色发烟硝酸(WFNA)和QC/N2O4的自燃性能。结果表明,反应16 h和分离提纯后,QC产品的纯度和收率能分别达到99.5%和96.2%,单批产量为2 kg,QC/WFNA和QC/N2O4的点火延迟时间分别为98 ms和29 ms。固体纳米颗粒的添加能促进自燃性能,纳米硼、碳、铝可缩短点火延迟时间,添加质量分数为0.25%的纳米硼/碳/铝后点火延迟时间分别为68/73/75 ms(发烟硝酸)和18/27/33 ms(N2O4),证明QC可作自燃类高能液体推进剂使用。

添加纳米铝的高密度悬浮燃料点火性能

为了探究含金属颗粒悬浮燃料的点火和燃烧特性,制备了含5%纳米铝颗粒(Al NPs)的HD-01和四环庚烷(QC)的高密度悬浮燃料,采用雾化激波管测试了两种悬浮燃料在不同压力和温度下的点火延时P,通过拟合计算得到了表观点火活化能,分析了悬浮燃料的点火燃烧机理,采用高速摄像机记录了点火燃烧的流场图像。结果表明,悬浮燃料静置4周后无颗粒聚沉现象;在0.05 MPa和0.1 MPa下、1450 K和1750 K内,Al NPs可使HD-01和QC燃料的点火延时缩短约50%,表观点火活化能由161.4 k J·mol^(^(-1))和120.3 k J·mol^(-1)分别降低至156.5 k J·mol^(-1)和112.8 k J·mol^(-1);推测燃烧机理为铝原子优先与O2反应生成O自由基,进而加速燃烧反应。此外,Al NPs能够完全燃烧并促进燃料燃烧过程中的能量释放。

高触变性高密度凝胶碳氢燃料的制备及性能

采用有机凝胶剂(Gn)和气相二氧化硅(SiO2)分别与HD-01、HD-03、HD-03-I、QC 四种纯液体高密度燃料制备了相应的凝胶碳氢燃料,研究了所需凝胶剂Gn 和SiO2的最小添加量,测定了凝胶碳氢燃料的密度、黏度、热值等基础物理性质。考察了其热稳定性、离心稳定性、长期存储挥发性等稳定性能,以及流变性能。结果表明,至少添加6% SiO2才能使纯液体高密度燃料形成凝胶碳氢燃料,而Gn 最小添加量不大于1%,且Gn 对燃料本身的密度和热值几乎没有影响;Gn 凝胶碳氢燃料在-40 ℃低温保存、长期室温存储或高速离心后无液体渗出现象;Gn 凝胶碳氢燃料的黏度随剪切速率增加而明显下降,接近纯液体燃料黏度;通过扫描电镜发现Gn 凝胶剂在燃料中可自组装形成三维纤维网状结构,搅拌或高温(150 ℃)可破坏该结构,静置或降温又可恢复,使得Gn 凝胶碳氢燃料具有明显优于SiO2凝胶燃料的流变性和触变性,更利于管道运输和雾化。

吸热燃料在管式涂层反应器内的催化裂解反应

采用气体辅助催化剂涂层技术将一种陶瓷类黏合剂与HZSM-5和HY分子筛混和涂敷在管式反应器内壁,并采用X射线衍射,傅里叶变换红外光谱和扫描电子显微镜对催化剂涂层进行了表征。表征结果显示,催化剂涂层的厚度为10～20μm,催化剂的粒径为1～5μm。以正十二烷和航空燃料RP-3为吸热燃料,在600℃和625℃的超临界条件下考察了催化剂涂层对吸热燃料的热沉和裂解率的影响。实验结果表明,催化剂涂层能显著提高吸热燃料的热沉。在600℃和625℃下,使用HY催化剂涂层(质量分数25%)时,正十二烷的热沉分别比空管反应时增加815.7kJ/kg和901.9kJ/kg,同时裂解率也分别由空管反应时的42%和66%提高到60%和80%。催化剂涂层对吸热燃料催化裂解积碳也有一定的抑制作用。

双环戊二烯加压连续聚合制备高能量密度燃料

为制备密度大于1g.ml-1的高密度燃料母体化合物三环戊二烯(TCPD),研究了双环戊二烯(DCPD)的加压连续聚合反应。分析了聚合反应产物组成和反应途径,研究了反应条件的影响。与常压间歇反应相比,加压连续反应能极大地提高反应转化率和收率,优化产物组成,TCPD中挂式/桥式(exo/endo)比例大大提高,并生成新的产物exo-DCPD。反应途径分析表明,TCPD中exo/endo比例与exo-DCPD选择性呈线性正相关。研究发现,为维持反应进行压力应不低于1.2MPa;增加温度能提高反应转化率,而TCPD最高收率出现在160℃,TCPD的exo/endo比例随温度增加而降低;反应转化率和收率随停留时间增加而增加,但转化速率降低,缩短停留时间有利于提高TCPD的exo/endo比例;浓度对反应影响不大。在较优条件下,endo-DCPD转化率达82.2%,TCPD收率达41.7%。

生物质替代石油原料合成高密度燃料的研究进展

“碳达峰、碳中和”目标的提出,为中国能源结构转型提供了动力引擎。发展生物质基高密度燃料,既可以为传统石油基高密度燃料提供可再生的替代品,又符合中国可持续发展以及能源结构转型的要求。本文综述了RJ-4、JP-10等典型石油基高密度燃料的性质和用途,总结了由萜类以及木质纤维素平台化合物合成RJ-4、JP-10以及其他多环燃料的路线方法,展示了生物质转化制备高密度燃料的良好可行性,讨论了目前生物质基高密度燃料研究面临的瓶颈以及发展方向。