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A review of interaction mechanisms and microscopic simulation methods for CO_(2)-water-rock system
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作者 ZHANG Liehui ZHANG Tao +6 位作者 ZHAO Yulong HU Haoran WEN Shaomu WU Jianfa CAO Cheng WANG Yongchao FAN Yunting 《Petroleum Exploration and Development》 SCIE 2024年第1期223-238,共16页
This work systematically reviews the complex mechanisms of CO_(2)-water-rock interactions,microscopic simulations of reactive transport(dissolution,precipitation and precipitate migration)in porous media,and microscop... This work systematically reviews the complex mechanisms of CO_(2)-water-rock interactions,microscopic simulations of reactive transport(dissolution,precipitation and precipitate migration)in porous media,and microscopic simulations of CO_(2)-water-rock system.The work points out the key issues in current research and provides suggestions for future research.After injection of CO_(2) into underground reservoirs,not only conventional pressure-driven flow and mass transfer processes occur,but also special physicochemical phenomena like dissolution,precipitation,and precipitate migration.The coupling of these processes causes complex changes in permeability and porosity parameters of the porous media.Pore-scale microscopic flow simulations can provide detailed information within the three-dimensional pore and throat space and explicitly observe changes in the fluid-solid interfaces of porous media during reactions.At present,the research has limitations in the decoupling of complex mechanisms,characterization of differential multi-mineral reactions,precipitation generation mechanisms and characterization(crystal nucleation and mineral detachment),simulation methods for precipitation-fluid interaction,and coupling mechanisms of multiple physicochemical processes.In future studies,it is essential to innovate experimental methods to decouple“dissolution-precipitation-precipitate migration”processes,improve the accuracy of experimental testing of minerals geochemical reaction-related parameters,build reliable characterization of various precipitation types,establish precipitation-fluid interaction simulation methods,coordinate the boundary conditions of different physicochemical processes,and,finally,achieve coupled flow simulation of“dissolution-precipitation-precipitate migration”within CO_(2)-water-rock systems. 展开更多
关键词 co_(2)-water-rock DISSOLUTION precipitation precipitate migration microscopic simulation co_(2)capture utilization and storage carbon neutrality decouple
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Effects of acid-rock reaction on physical properties during CO_(2)-rich industrial waste gas(CO_(2)-rich IWG)injection in shale reservoirs
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作者 Yi-Fan Wang Jing Wang +2 位作者 Hui-Qing Liu Xiao-Cong Lv Ze-Min Ji 《Petroleum Science》 SCIE EI CAS CSCD 2024年第1期272-285,共14页
"Carbon peaking and carbon neutrality"is an essential national strategy,and the geological storage and utilization of CO_(2)is a hot issue today.However,due to the scarcity of pure CO_(2)gas sources in China... "Carbon peaking and carbon neutrality"is an essential national strategy,and the geological storage and utilization of CO_(2)is a hot issue today.However,due to the scarcity of pure CO_(2)gas sources in China and the high cost of CO_(2)capture,CO_(2)-rich industrial waste gas(CO_(2)-rich IWG)is gradually emerging into the public's gaze.CO_(2)has good adsorption properties on shale surfaces,but acidic gases can react with shale,so the mechanism of the CO_(2)-rich IWG-water-shale reaction and the change in reservoir properties will determine the stability of geological storage.Therefore,based on the mineral composition of the Longmaxi Formation shale,this study constructs a thermodynamic equilibrium model of water-rock reactions and simulates the regularity of reactions between CO_(2)-rich IWG and shale minerals.The results indicate that CO_(2)consumed 12%after reaction,and impurity gases in the CO_(2)-rich IWG can be dissolved entirely,thus demonstrating the feasibility of treating IWG through water-rock reactions.Since IWG inhibits the dissolution of CO_(2),the optimal composition of CO_(2)-rich IWG is 95%CO_(2)and 5%IWG when CO_(2)geological storage is the main goal.In contrast,when the main goal is the geological storage of total CO_(2)-rich IWG or impurity gas,the optimal CO_(2)-rich IWG composition is 50%CO_(2)and 50%IWG.In the CO_(2)-rich IWG-water-shale reaction,temperature has less influence on the water-rock reaction,while pressure is the most important parameter.SO2 has the greatest impact on water-rock reaction in gas.For minerals,clay minerals such as illite and montmorillonite had a significant effect on water-rock reaction.The overall reaction is dominated by precipitation and the volume of the rock skeleton has increased by 0.74 cm3,resulting in a decrease in shale porosity,which enhances the stability of CO_(2)geological storage to some extent.During the reaction between CO_(2)-rich IWG-water-shale at simulated temperatures and pressures,precipitation is the main reaction,and shale porosity decreases.However,as the reservoir water content increases,the reaction will first dissolve and then precipitate before dissolving again.When the water content is less than 0.0005 kg or greater than 0.4 kg,it will lead to an increase in reservoir porosity,which ultimately reduces the long-term geological storage stability of CO_(2)-rich IWG. 展开更多
关键词 co_(2)-rich industrial waste gas Geological storage Acid-rock reaction SHALE Geochemical modelling
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Effects of surface chlorine atoms on charge distribution and reaction barriers for photocatalytic CO_(2)reduction
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作者 Wendong Zhang Wenjun Ma +6 位作者 Yuerui Ma Peng Chen Qingqing Ye Yi Wang Zhongwei Jiang Yingqing Ou Fan Dong 《Nano Materials Science》 EI CAS CSCD 2024年第2期235-243,共9页
Photocatalytic CO_(2)reduction to produce high value-added carbon-based fuel has been proposed as a promising approach to mitigate global warming issues.However,the conversion efficiency and product selectivity are st... Photocatalytic CO_(2)reduction to produce high value-added carbon-based fuel has been proposed as a promising approach to mitigate global warming issues.However,the conversion efficiency and product selectivity are still low due to the sluggish dynamics of transfer processes involved in proton-assisted multi-electron reactions.Lowering the formation energy barriers of intermediate products is an effective method to enhance the selectivity and productivity of final products.In this study,we aim to regulate the surface electronic structure of Bi_(2)WO_(6)by doping surface chlorine atoms to achieve effective photocatalytic CO_(2)reduction.Surface Cl atoms can enhance the absorption ability of light,affect its energy band structure and promote charge separation.Combined with DFT calculations,it is revealed that surface Cl atoms can not only change the surface charge distribution which affects the competitive adsorption of H_(2)O and CO_(2),but also lower the formation energy barrier of intermediate products to generate more intermediate*COOH,thus facilitating CO production.Overall,this study demonstrates a promising surface halogenation strategy to enhance the photocatalytic CO_(2)reduction activity of a layered structure Bi-based catalyst. 展开更多
关键词 Surface chlorine atoms Charge distribution reaction barriers Photocatalytic co_(2)reduction Bi_(2)WO_(6)
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Differences in CO_(2)-Water-Rock Chemical Reactions among ’Sweet Spot’ Reservoirs:Implications for Carbon Sequestration
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作者 YANG Leilei SONG Ziyang +5 位作者 LIU Yi WEI Guo ZHANG Xing MO Chenchen FENG Bo LI Yaohua 《Acta Geologica Sinica(English Edition)》 SCIE CAS CSCD 2023年第3期972-985,共14页
The Lucaogou Formation,located in the Jimsar Sag,Junggar Basin,NW China,has great potential for shale oil resources.In the process of CO_(2)-EOR(CO_(2) enhance oil recovery),mineral dissolution,precipitation and trans... The Lucaogou Formation,located in the Jimsar Sag,Junggar Basin,NW China,has great potential for shale oil resources.In the process of CO_(2)-EOR(CO_(2) enhance oil recovery),mineral dissolution,precipitation and transformation,leading to the local corrosion or blockage of reservoirs,have a significant influence on recovery.In this study,a combination of high-temperature and high-pressure laboratory experiments and coupled temperature/fluid-chemistry multifield numerical simulations are used to investigate CO_(2)-water-rock reactions under various reservoir conditions in the upper and lower ’sweet spots’,to reveal the mechanisms underlying CO_(2)-induced mineral dissolution,precipitation and transformation.In addition,we quantitatively calculated the evolution of porosity over geological timescales;compared and analyzed the variability of CO_(2) transformation in the reservoir under a variety of temperature,lithology and solution conditions;and identified the main factors controlling CO_(2)-water-rock reactions,the types of mineral transformation occurring during long-term CO_(2) sequestration and effective carbon sequestration minerals.The results demonstrate that the main minerals undergoing dissolution under the influence of supercritical CO_(2) are feldspars,while the main minerals undergoing precipitation include carbonate rock minerals,clay minerals and quartz.Feldspar minerals,especially the initially abundant plagioclase in the formation,directly affects total carbon sequestration,feldspar-rich clastic rocks therefore having considerable sequestration potential. 展开更多
关键词 co_(2) water-rock reactions mineral transformation carbon sequestration
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点阵CO_(2)激光Deep FX+Active FX模式治疗痤疮瘢痕疗效观察
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作者 于飞 张娇娇 +1 位作者 刘太宾 任刘生 《中国美容医学》 CAS 2024年第3期112-116,共5页
目的:探究点阵CO_(2)激光Deep FX+Active FX模式治疗痤疮瘢痕疗效。方法:选取笔者医院2020年1月-2022年1月收治的116例痤疮瘢痕患者作为研究对象,按照随机数字表法分为观察组(采用点阵CO_(2)激光Deep FX+Active FX模式治疗)58例和对照组... 目的:探究点阵CO_(2)激光Deep FX+Active FX模式治疗痤疮瘢痕疗效。方法:选取笔者医院2020年1月-2022年1月收治的116例痤疮瘢痕患者作为研究对象,按照随机数字表法分为观察组(采用点阵CO_(2)激光Deep FX+Active FX模式治疗)58例和对照组(采用点阵CO_(2)激光Deep FX模式治疗)58例。观察两组患者治疗后的临床疗效、瘢痕情况、疼痛与瘙痒情况、面部皮肤相关指数、不良反应。结果:观察组总有效率为96.55%,高于对照组86.21%(P<0.05)。治疗后,观察组患者的色泽、血管分布、厚度、柔软度评分均低于对照组(P<0.05)。治疗后,两组疼痛情况评分比较,差异无统计学意义(P>0.05);观察组瘙痒情况评分低于对照组(P<0.05)。观察组红斑指数、棕色斑指数、紫外线光斑指数、毛孔指数、纹路指数及斑点指数均低于对照组(P<0.05)。两组不良反应发生情况比较,差异无统计学意义(P>0.05)。结论:点阵CO_(2)激光Deep FX+Active FX模式能够提高痤疮瘢痕患者的临床疗效,改善瘢痕情况,降低瘙痒情况与面部皮肤相关指数,值得临床推广。 展开更多
关键词 点阵co_(2)激光 痤疮 瘢痕 疗效 不良反应
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CO_(2)/N_(2)置换-降压强化开采天然气水合物
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作者 高宇星 赵建忠 +1 位作者 高强 张驰 《化学工程》 CSCD 北大核心 2024年第1期12-17,共6页
将天然气水合物中的CH_(4)置换为CO_(2)水合物是未来能源生产和温室气体控制的一种创新方法,但通常条件下CO_(2)对水合物中CH_(4)的置换效率较低,因此采用混合气联合降压强化置换的开采方法被提出。模拟(海底静水压力)在三轴应力约束状... 将天然气水合物中的CH_(4)置换为CO_(2)水合物是未来能源生产和温室气体控制的一种创新方法,但通常条件下CO_(2)对水合物中CH_(4)的置换效率较低,因此采用混合气联合降压强化置换的开采方法被提出。模拟(海底静水压力)在三轴应力约束状态下,通过注入固定比例[n(CO_(2))∶n(N_(2))=4∶1]的置换气体,研究降压强化置换过程中储层气相组分、CH_(4)开采率与CO_(2)封存率的变化。结果表明:CO_(2)+N_(2)联合降压强化置换法大幅度提高CH_(4)水合物置换效率,CH_(4)置换率相较于传统置换法的15.2%提升至35.22%,其中N_(2)直接贡献率占8.66%。通过降压强化,显著增强分解后期阶段气体扩散效果,提高CH_(4)开采率与CO_(2)封存率,对提高水合物转换开采具有良好的应用前景。 展开更多
关键词 天然气水合物 置换反应 CH_(4) co_(2) N_(2)
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从富含缺陷的碳载体到酞菁钴的质子供给用于增强CO_(2)电还原
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作者 梅子雯 陈克军 +8 位作者 谭耀 刘秋文 陈琴 王其忧 汪喜庆 蔡超 刘康 傅俊伟 刘敏 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE CAS CSCD 2024年第7期190-197,共8页
利用可再生电力将二氧化碳转化为高附加值产品的电催化二氧化碳还原反应(CO_(2)RR)是一项具有革命性潜力的技术,因而备受关注.其中,一氧化碳被视为CO_(2)RR中最具经济效益的产物之一,可直接利用费托合成工艺将其用于合成醛、酮、烃类等... 利用可再生电力将二氧化碳转化为高附加值产品的电催化二氧化碳还原反应(CO_(2)RR)是一项具有革命性潜力的技术,因而备受关注.其中,一氧化碳被视为CO_(2)RR中最具经济效益的产物之一,可直接利用费托合成工艺将其用于合成醛、酮、烃类等产品.酞菁钴(CoPc)作为单位点催化剂,因其高原子利用率和高催化选择性能,在二氧化碳转化为一氧化碳过程中具有很大优势.然而,CoPc无法为CO_(2)RR中的质子化过程提供足够质子,导致其在工业大电流密度下的效率较低.因此,探索一种能够解决CO_(2)RR中质子供给不足问题的高效电催化剂对于提升CO_(2)RR的性能至关重要.本文设计了具有增强质子供给作用的缺陷碳纳米管(d-CNT),将其作为导电载体分散CoPc,用于制备CoPc/d-CNT电催化剂.通过引入富缺陷的碳纳米管(d-CNT),加速水解离进而增加CO_(2)RR的质子供给量.X射线光电子能谱、X射线吸收近边光谱和扩展X射线吸收精细结构谱结果表明,CoPc/d-CNT成功合成,同时保留了CoPc完整的Co-N4配位结构.透射电镜、粉末X射线衍射谱和拉曼光谱共同表明,d-CNT表面缺陷相对于商用CNT明显增加.动力学实验和原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱研究表明,含大量缺陷的d-CNT具有加速水解离的能力,显著提高了二氧化碳还原反应过程中的质子供给,从而促进了CoPc_上CO_(2)活化生成*COOH.同时,密度泛函理论计算结果表明,d-CNT表面缺陷位点上从吸附水(*H2O)到质子水(H3O+)的吉布斯自由能为0.74 eV,远低于CNT(超过2 eV),表明d-CNT促进了水解过程和质子传递,再次证实了d-CNT降低了水分子解离的势垒.通过实验和理论的共同验证,阐明了d-CNT中的缺陷能够促进水解离,改善CO_(2)RR反应过程中质子供给,增强CoPc高效催化CO_(2)RR的能力.因此,CoPc/d-CNT混合材料表现出较好的催化性能.在电流密度为500 mA cm^(-2)的流动电池中,CoPc/d-CNT的CO法拉第效率(FECO)高达96%.相对而言,CoPc/CNT在200 mA cm^(-2)时FECO已经下降到90%以下.此外,在150 mA cm^(-2)的电流密度下,CoPc/d-CNT能够在20 h内维持FECO超过90%.综上,本文通过引入具有水解离能力的缺陷碳位点,解决了单位点催化剂CoPc在CO_(2)RR中质子供给不足的问题,为设计高性能催化剂提供了新见解. 展开更多
关键词 碳缺陷 二氧化碳还原反应 酞菁钴 质子供给 电催化
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NHC-Ag修饰的钐配合物催化CO_(2)与端炔的羧化反应
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作者 李金融 王文玉 +3 位作者 王晓娟 由立新 熊刚 孙亚光 《精细化工》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期865-871,共7页
将1,3-二(4-羧基苯甲基)-苯并咪唑氯化物(H_(2)BCBI)与Sm(NO_(3))3•6H_(2)O在水热条件下进行反应,得到了二维配位聚合物[Sm(BCBI)(NO_(3))2•H_(2)O]n(Sm-BCBI),将其与乙酸银(AgOAc)作用引入氮杂环卡宾(NHC)-Ag(Ⅰ)催化位点,制备了氮杂... 将1,3-二(4-羧基苯甲基)-苯并咪唑氯化物(H_(2)BCBI)与Sm(NO_(3))3•6H_(2)O在水热条件下进行反应,得到了二维配位聚合物[Sm(BCBI)(NO_(3))2•H_(2)O]n(Sm-BCBI),将其与乙酸银(AgOAc)作用引入氮杂环卡宾(NHC)-Ag(Ⅰ)催化位点,制备了氮杂环卡宾-银功能化的钐配合物[NHC-Ag(Ⅰ)@Sm-BCBI]。通过单晶X射线衍射仪、PXRD、TGA、XPS、电感耦合等离子发射光谱仪、SEM和EDS对Sm-BCBI和NHC-Ag(Ⅰ)@Sm-BCBI进行了表征,考察了NHC-Ag(Ⅰ)@Sm-BCBI催化CO_(2)(0.1MPa)与苯乙炔(1.0mmol)羧化反应的最佳条件,考察了底物的拓展性。结果表明,Sm-BCBI为二维层状结构;NHC-Ag(Ⅰ)@Sm-BCBI具有良好的热稳定性,且其中的银以+1价形式存在。在反应温度为50℃、以Cs2CO_(3)(1.5 mmol)为碱、N,N-二甲基甲酰胺为溶剂,NHC-Ag(Ⅰ)@Sm-BCB用量70 mg、反应时间为16h的最佳条件下,苯丙炔酸分离产率可达80%。催化剂易回收,循环使用5次后,苯丙炔酸分离产率仍能达到57%。 展开更多
关键词 氮杂环卡宾-银 催化 co_(2) 端炔 羧化反应
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理论研究Cu@C_(2)N催化剂表面上水分子对电催化CO_(2)还原反应机理的影响
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作者 徐涵煜 宋雪旦 +2 位作者 张青 于畅 邱介山 《物理化学学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2024年第1期24-25,共2页
电催化CO_(2)还原反应(CO_(2)RR)的反应途径涉及多个质子-电子对转移,在水溶剂条件下,质子的来源是水分子,考虑水分子对质子-电子对的转移机制十分必要。本研究提出水辅助氢穿梭模型,与常用的以氢原子作为氢源的直接加氢模型对比,研究... 电催化CO_(2)还原反应(CO_(2)RR)的反应途径涉及多个质子-电子对转移,在水溶剂条件下,质子的来源是水分子,考虑水分子对质子-电子对的转移机制十分必要。本研究提出水辅助氢穿梭模型,与常用的以氢原子作为氢源的直接加氢模型对比,研究水分子在CO_(2)RR中对质子-电子对转移的影响。采用密度泛函理论,系统地研究了铜原子嵌入C_(2)N单层催化剂(Cu@C_(2)N)和石墨烯作为衬底的Cu@C_(2)N/石墨烯复合催化剂(Cu@C_(2)N/G)表面上不同加氢模型的CO_(2)RR反应机理。在水辅助氢穿梭模型中,氢原子与水分子结合形成水合质子,水合质子将自身的氢原子转移到催化剂表面的反应物上形成反应中间体,增强了中间体与催化剂之间的相互作用。此外,在Cu@C_(2)N/G催化剂中,石墨烯将电子转移到表面的Cu@C_(2)N上,提高了催化剂的CO_(2)RR催化活性。进一步,计算了Cu@C_(2)N和Cu@C_(2)N/G催化剂上CO_(2)RR和析氢反应的极限电位,讨论催化剂的活性和选择性。结果表明CO_(2)在低电位下容易生成HCOOH,施加高电位时可以生成CO、CH3OH和CH4并伴随着H2的生成。 展开更多
关键词 co_(2)还原反应 电催化 氮掺杂石墨烯 水辅助氢穿梭 反应机理 密度泛函理论
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CO_(2)加氢制甲醇Cu/CeO_(2)催化剂实验研究
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作者 甘泽 李传 +3 位作者 邓文安 杜峰 罗辉 李庶峰 《炼油技术与工程》 CAS 2024年第4期33-38,共6页
考察了第二金属Ni改性对CO_(2)加氢制甲醇Cu/CeO_(2)催化剂活性的影响,并通过XRD、BET、XPS、H_(2)-TPR等手段对改性前后催化剂结构进行了表征。结果表明:金属负载量为20%时,Cu/CeO_(2)的比表面积最大;Cu与Ni质量比为3∶1时,催化剂碱度... 考察了第二金属Ni改性对CO_(2)加氢制甲醇Cu/CeO_(2)催化剂活性的影响,并通过XRD、BET、XPS、H_(2)-TPR等手段对改性前后催化剂结构进行了表征。结果表明:金属负载量为20%时,Cu/CeO_(2)的比表面积最大;Cu与Ni质量比为3∶1时,催化剂碱度最大,氧空位含量最高,Cu-Ni协同作用最强;该催化剂在反应温度240℃、反应压力3 MPa、液时空速2400 mL/(g·h)、H_(2)与CO_(2)体积比为3∶1时催化CO_(2)加氢制甲醇效果较优,CO_(2)转化率为18.5%,甲醇时空产率为40.43 g/(kg·h)。 展开更多
关键词 co_(2) 加氢 甲醇 Cu/CeO_(2)催化剂 反应条件 转化率 选择性 时空产率
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双金属电催化CO_(2)还原催化剂的合成、表征和机理研究进展
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作者 廖银丽 黄恒波 +3 位作者 邹如玉 沈淑玲 刘心娟 唐志红 《新型炭材料(中英文)》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期367-387,共21页
电催化二氧化碳还原反应(CO_(2)RR)是一种将CO_(2)转化为有价值的化学品的有效方法。然而,CO_(2)的转化是一个复杂的过程,涉及2、4、6、8和12等多电子转移步骤。因此,开发高效的催化剂以精确控制CO_(2)转化过程中的电子转移数目具有重... 电催化二氧化碳还原反应(CO_(2)RR)是一种将CO_(2)转化为有价值的化学品的有效方法。然而,CO_(2)的转化是一个复杂的过程,涉及2、4、6、8和12等多电子转移步骤。因此,开发高效的催化剂以精确控制CO_(2)转化过程中的电子转移数目具有重要意义。单金属催化剂存在活性位点单一、反应动力学慢、产物选择性低和稳定性不足等缺点。双金属催化剂因其独特的结构和优异的性能而受到广泛关注。通过引入次金属,可以改变催化剂的电子结构,促进新的活性位点的形成,从而优化中间体与活性位点之间的相互作用。因此,本文综述了以炭材料为基底的单原子双金属催化剂和合金、异质结构等非原子级的双金属催化剂以及它们的制备方法、结构表征和催化产物,归纳双金属催化剂的催化机理。最后,提出CO_(2)RR中遇到的挑战并对今后的发展进行展望。 展开更多
关键词 co_(2)还原反应 双金属催化剂 协同效应 电催化剂
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Zn-Pt/ZSM-5催化CO_(2)辅助丙烷脱氢的密度泛函理论研究
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作者 屈姝良 樊华华 +2 位作者 聂小娃 丁凡舒 郭新闻 《石油学报(石油加工)》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期392-403,共12页
通过密度泛函理论(DFT)计算研究了Zn-Pt/ZSM-5催化丙烷脱氢的反应机理,筛选出最优能量途径。研究发现丙烷在Zn-Lewis和Pt-Lewis酸位点上具有不同的反应路径和限速步骤。Bader电荷计算结果表明,丙烷分子吸附后,[Zn-O-Pt]^(2+)活性位点中P... 通过密度泛函理论(DFT)计算研究了Zn-Pt/ZSM-5催化丙烷脱氢的反应机理,筛选出最优能量途径。研究发现丙烷在Zn-Lewis和Pt-Lewis酸位点上具有不同的反应路径和限速步骤。Bader电荷计算结果表明,丙烷分子吸附后,[Zn-O-Pt]^(2+)活性位点中Pt上的电子密度增加,有利于丙烷活化,Pt位点对H的吸引能力更强,导致Pt—H键断裂生成H_(2)需要克服较高能垒。Pt的引入改变了Zn/ZSM-5的电子性质,影响其催化剂性能。在反应体系中引入CO_(2)改变了丙烷脱氢反应路径,降低了限速步骤能垒,促进反应正向进行。 展开更多
关键词 丙烷脱氢 Zn-Pt/ZSM-5 co_(2)辅助 反应机理 密度泛函理论
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Zn/ZSM-5催化剂中Zn物种与CO_(2)和正丁烷耦合反应间相关性研究
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作者 孙旭科 刘荣升 +4 位作者 范改丽 刘昱含 叶芳秀 于政锡 刘中民 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE CAS CSCD 2024年第6期154-163,共10页
随着全球温室气体排放的持续增长,二氧化碳(CO_(2))的高效转化与利用已成为应对气候变化、推动可持续发展的重要途径之一.在本课题组的前期研究中,以正丁烷为模型化合物,成功实现了H-ZSM-5分子筛催化CO_(2)与正丁烷发生耦合反应.实验还... 随着全球温室气体排放的持续增长,二氧化碳(CO_(2))的高效转化与利用已成为应对气候变化、推动可持续发展的重要途径之一.在本课题组的前期研究中,以正丁烷为模型化合物,成功实现了H-ZSM-5分子筛催化CO_(2)与正丁烷发生耦合反应.实验还发现,通过对H-ZSM-5进行Zn改性,可以显著提高其催化性能,这为CO_(2)的高效转化和利用提供了新的研究方向.然而,目前关于Zn-ZSM-5催化剂中Zn物种的具体存在状态及其与耦合反应性能之间的关系尚不明确,这限制了高效催化剂的进一步设计.因此,深入探究Zn物种在Zn-ZSM-5催化剂中的存在状态及其与催化性能之间的关联机制,从而设计和开发更高效的CO₂转化催化剂已成为当务之急.本文通过紫外-可见光漫反射光谱、X-射线光电子能谱和1H魔角旋转-核磁共振等多种技术系统地表征了Zn-ZSM-5分子筛中酸性中心和Zn物种存在状态的演变过程,讨论了Zn物种活性中心与耦合反应之间的构-效关系,阐明了耦合反应的机理.研究表明,Zn-ZSM-5分子筛中Zn物种主要以ZnO团簇、Zn-OH^(+)和(Zn-O-Zn)^(2+)的形式存在,且其含量随Zn负载量的变化而改变.其中,ZnO团簇及(Zn-O-Zn)^(2+)物种的含量随Zn负载量的增加而上升,而Zn-OH^(+)物种含量则先上升后下降,这是由于部分Zn-OH^(+)物种转化为(Zn-O-Zn)^(2+)物种.在CO_(2)与正丁烷的耦合反应中,正丁烷的转化受到Brønsted酸位点的减少、Zn活性位点的形成以及粗晶ZnO物种的堆积等多种因素的影响.Zn-OH^(+)物种是主要的CO_(2)催化转化活性中心,而芳烃的生成则主要受Zn-OH^(+)和(Zn-O-Zn)^(2+)物种的影响.Zn-OH^(+)和(Zn-O-Zn)^(2+)物种均具有较强的脱氢性能,可通过脱氢路径促进芳烃的生成.Zn5%-ZSM-5(Zn负载量为5 wt%)样品表现出最优的催化性能:正丁烷转化率为94.71%,CO_(2)转化率为30.43%,芳烃选择性为53.71%.原位实验进一步证实了内酯、羧酸和不饱和醛酮等含氧化合物作为中间体的存在.基于上述研究,我们提出了Zn-ZSM-5上CO_(2)和正丁烷耦合的反应机理,主要包括以下三条反应路径:(1)在Zn-OH^(+)物种的催化作用下,正丁烷和CO_(2)首先被耦合活化形成内酯,随后经过一系列反应形成羧酸、酸酐和其他含氧化合物,最终通过复杂的反应生成芳烃.(2)部分CO_(2)在Zn-OH^(+)物种的催化下,通过逆水煤气变换(RWGS)反应以及与烃类化合物的干重整反应生成CO.这些CO随后在Zn-OH^(+)物种的催化下与烯烃发生耦合反应,最终生成芳烃产物.(3)正丁烷在Zn-OH^(+)和(Zn-O-Zn)^(2+)物种的催化下,发生脱氢和异构化反应产生烯烃.部分烯烃可通过与CO耦合或烯烃发生聚合、环化、脱氢等过程生成芳烃产物.综上所述,本文深入探讨了CO_(2)与正丁烷在Zn-ZSM-5催化剂上的耦合反应机制.通过系统研究,建立了催化剂中Zn物种与催化性能之间的构-效关系,并提出了耦合反应的具体路径.本文不仅有助于深入理解Zn-ZSM-5的催化作用机制,而且对于未来设计和开发更高效的催化体系具有重要的参考价值. 展开更多
关键词 耦合反应 co_(2)利用 锌的引入 Zn-OH+ (Zn-O-Zn)^(2+) ZSM-5
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热驱动CO_(2)多相催化合成化学品研究进展
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作者 姜瑞君 李玉涛 +3 位作者 王振峰 王玉清 郭小惠 丁健 《精细化工》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期302-314,400,共14页
CO_(2)分子较高的化学惰性导致其选择性活化及可控转化极具挑战。相对于电和光驱动CO_(2)催化转化反应,热驱动CO_(2)多相催化转化反应具有操作简便、目标产物可调且产品收率较高等优势。通过该类反应实现CO_(2)还原或非还原制备多种化学... CO_(2)分子较高的化学惰性导致其选择性活化及可控转化极具挑战。相对于电和光驱动CO_(2)催化转化反应,热驱动CO_(2)多相催化转化反应具有操作简便、目标产物可调且产品收率较高等优势。通过该类反应实现CO_(2)还原或非还原制备多种化学品,既可促进CO_(2)的资源化利用,又可有效缓解温室效应,在环保、能源和材料等领域具有重要意义。该文对热驱动多相催化CO_(2)转化为CO、CH_(4)、甲酸、甲醇、碳氢化合物和其他精细化学品的研究现状进行了综合评述,重点讨论了反应机理、所用催化剂及反应体系的研究进展,并对其未来的研究方向进行了前景展望和探讨。 展开更多
关键词 co_(2) 热驱动多相催化剂 反应体系 高附加值产物
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CO_(2)催化加氢合成甲醇研究进展
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作者 王佳静 王建文 +5 位作者 李茂帅 宋奕慧 王石维 吕静 鲍晓军 马新宾 《石油炼制与化工》 CAS CSCD 北大核心 2024年第2期75-83,共9页
热催化CO_(2)加氢制甲醇具有显著的减碳效应,能够有效储存可再生能源,具有广阔的工业应用前景。介绍了CO_(2)加氢制甲醇的反应网络及其热力学挑战,并概述了其工艺流程、国内外工业应用情况,系统综述了近年来不同活性组分催化剂的研究进... 热催化CO_(2)加氢制甲醇具有显著的减碳效应,能够有效储存可再生能源,具有广阔的工业应用前景。介绍了CO_(2)加氢制甲醇的反应网络及其热力学挑战,并概述了其工艺流程、国内外工业应用情况,系统综述了近年来不同活性组分催化剂的研究进展,从催化剂的制备方式、活性位点、反应机理及动力学等方面阐述Cu基催化剂、贵金属催化剂、氧化物催化剂以及其他新型催化剂存在的问题和优势。重点阐述Cu基催化剂的构效关系,包括其活性组分结构、载体性质和助剂对催化活性和甲醇选择性的影响,并展望CO_(2)加氢制甲醇催化剂的未来发展方向。 展开更多
关键词 co_(2) 加氢 甲醇 催化剂 反应机理 反应动力学
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天然CO_(2)沿井筒泄漏两相反应流动特征模拟
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作者 郑长远 蔡雨娜 +1 位作者 雷宏武 封官宏 《安全与环境工程》 CAS CSCD 北大核心 2024年第1期196-204,239,共10页
碳捕集利用与封存(CCUS)技术是实现大规模碳减排的重要途径,而CO_(2)注入储层后的泄漏风险是CCUS技术关注的重点之一。由于目前CCUS工程中还未有深部封存的CO_(2)泄漏事故发生,但天然CO_(2)泄漏事件并不少见,因此以天然CO_(2)井筒泄漏... 碳捕集利用与封存(CCUS)技术是实现大规模碳减排的重要途径,而CO_(2)注入储层后的泄漏风险是CCUS技术关注的重点之一。由于目前CCUS工程中还未有深部封存的CO_(2)泄漏事故发生,但天然CO_(2)泄漏事件并不少见,因此以天然CO_(2)井筒泄漏点为研究对象进行类比研究可为CCUS工程泄漏风险评估提供有价值的参考依据。以西宁盆地南部天然CO_(2)泄漏场地中的典型CO_(2)井筒泄漏点———ZK10井为研究对象,结合实测数据,采用数值模拟方法分析了该井间歇喷发过程的动力学机制及伴随的化学变化特征。结果表明:①ZK10井的水气间歇喷发过程受CO_(2)过饱和析出、气举效应及储层动态补给的协同控制;②受控于CO_(2)的过饱和析出及流体混合作用,井筒内CO_(2)闪蒸点以上位置地下水的pH值随深度减小而增大,并随喷发过程发生周期性的变化;③ZK10井间歇喷发过程中,井筒内形成方解石和石英矿物沉淀,受控于矿物的溶解特性,其沉淀特征各异。该研究结果可为类似的天然或CCUS工程中CO_(2)井筒泄漏点的泄漏机制及化学特征研究提供参考,进而为相关部门制定监测及预防措施提供依据。 展开更多
关键词 天然二氧化碳 井筒泄漏 间歇喷发 化学反应 CCUS技术 数值模拟
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非均相单宁酸-锆介孔材料制备及其CO_(2)环加成反应催化性能
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作者 冯帮满 岳成光 +2 位作者 王美岩 王悦 马新宾 《化工进展》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期2803-2810,共8页
CO_(2)和环氧化物的环加成反应是一种有效且可持续的CO_(2)化工转化策略,其产品环碳酸酯在锂离子电池、高分子材料等领域具有广泛应用。其中环氧化物的开环被认为是该反应的关键步骤,因此构筑具有高效环氧化物吸附活化位点的催化剂至关... CO_(2)和环氧化物的环加成反应是一种有效且可持续的CO_(2)化工转化策略,其产品环碳酸酯在锂离子电池、高分子材料等领域具有广泛应用。其中环氧化物的开环被认为是该反应的关键步骤,因此构筑具有高效环氧化物吸附活化位点的催化剂至关重要。本文通过单宁酸与锆离子的配位作用,“一锅法”制备同时含有锆金属中心作为Lewis酸位点和酚羟基作为氢键作用位点的非均相单宁酸-锆介孔材料TA-Zr-2。XPS和环氧丙烷TPD-MS结果表明,与同为锆基多孔材料的UiO-66相比,TA-Zr-2的锆金属中心具有更强的Lewis酸性,对环氧丙烷具有更强的吸附活化作用。在TA-Zr-2的基础上通过冷冻干燥优化处理得到了具有更大比表面积和合适孔体积的TA-Zr-2-FD材料,25℃下催化性能提升1倍,24h的碳酸丁烯酯收率达97.6%。本文使用简单绿色的制备方法,构建了具有较大比表面积的单宁酸-锆介孔材料,锆Lewis酸位点和酚羟基氢键位点的耦合使其具有良好的环氧化物吸附活化作用,利于环氧化物的开环,使得该催化剂在25℃下表现出良好的CO_(2)环加成反应催化性能。 展开更多
关键词 co_(2)转化 环加成反应 环状碳酸酯 介孔材料
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CO_(2)氧化多孔Mg_(2)Si制备微纳分级Si/C材料及储锂性能
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作者 郑娅 刘娟 +3 位作者 喻强 穆艺臣 赵小玉 李小成 《有色金属科学与工程》 CAS 北大核心 2024年第2期256-264,273,共10页
硅基负极材料储量丰富、能量密度高、工作电压稳定,是最具有前景的锂离子电池负极材料之一。然而硅接近300%的体积膨胀和较低的离子导电率在电池的循环中十分不利。本文以多孔Mg_(2)Si为原料,通过CO_(2)氧化一步法去除了Mg的同时,在微... 硅基负极材料储量丰富、能量密度高、工作电压稳定,是最具有前景的锂离子电池负极材料之一。然而硅接近300%的体积膨胀和较低的离子导电率在电池的循环中十分不利。本文以多孔Mg_(2)Si为原料,通过CO_(2)氧化一步法去除了Mg的同时,在微米级多孔硅体系中引入了纳米级孔隙,并实现了碳层的均匀复合,制备了微纳分级三维多孔Si/C复合材料(MN-p-Si/C)。该结构不仅减轻了硅在脱嵌锂过程的体积膨胀,为离子和电子的传输提供了三维有效通道,碳层还大幅提高了材料的导电性。得益于这些优势,MN-p-Si/C表现出优异的电化学性能,首次充放电比容量分别为2869.2 mAh/g、2364.5 mAh/g,初始库仑效率高达82.41%,在1A/g高电流密度下,200圈循环后MN-p-Si/C可逆容量还保持在1127.1 mAh/g,容量保持率为70.9%,具有良好的应用前景。 展开更多
关键词 硅/碳负极 多孔结构 co_(2)氧化反应 Mg_(2)Si
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单原子修饰原子簇的多配位Cu基催化剂上CO_(2)高选择性电还原CO的研究
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作者 王超琛 葛旺鑫 +6 位作者 唐雷 齐宴宾 董磊 江宏亮 沈建华 朱以华 李春忠 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE CAS CSCD 2024年第4期324-333,共10页
随着可再生能源发电成本的持续下降和电催化技术的迅猛发展,人们开始重新审视能源燃料和化学品的生产方式.近年来,H2O和CO_(2)等小分子的电催化转化反应已成为研究热点.特别是,CO_(2)还原反应(CO_(2)RR)作为将CO_(2)电化学还原为高附加... 随着可再生能源发电成本的持续下降和电催化技术的迅猛发展,人们开始重新审视能源燃料和化学品的生产方式.近年来,H2O和CO_(2)等小分子的电催化转化反应已成为研究热点.特别是,CO_(2)还原反应(CO_(2)RR)作为将CO_(2)电化学还原为高附加值产品的一项变革性的技术,备受关注.在CO_(2)RR的众多产物中,CO具有重要的地位,它可以通过费托合成工艺直接用于合成醇、醛、酮、酸及烃等化工产品.然而,将CO_(2)电催化转化为CO在整体效率方面仍面临诸多挑战.因此,设计并制备高效、经济且耐用的电催化剂已成为CO_(2)RR领域发展的研究重点.本文采用简单的配体辅助负载策略制备了铜单原子修饰的铜原子簇催化剂(Cu SA/ACs).球差校正的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜结果表明,铜以单原子和原子簇的形式存在.采用X射线吸收精细结构谱和X射线光电子能谱(XPS)分析了铜原子的电子和配位结构,证明了Cu-N键和Cu-Cu键的存在.电化学性能测试表明,与铜单原子催化剂(Cu SACs)相比,Cu SA/ACs催化剂展现了较好的CO_(2)RR性能,其CO的转化法拉第效率从27.15%提高到98.94%,电流密度是Cu SACs的3.6倍.此外,将该催化剂组装成流动电解池,在600 mA cm-2的高电流密度下,CO选择性达到93.06%,阴极的最高能量效率达61.9%,优于大多数CO_(2)还原制备CO的催化剂.为了明确铜单原子组分引入对铜原子簇性能提升的原因,通过电化学原位红外光谱研究催化剂在服役条件下的表面物种吸附.结果表明,Cu SACs催化剂的单原子活性中心在CO_(2)RR过程中受到H2析出反应的困扰,活性中心表面的吸附物种主要为H2O而不是CO_(2),从而导致CO_(2)还原性能较差;在Cu SA/ACs催化剂表面,其活性中心由单原子和原子簇协同组成,CO_(2)主要吸附在原子簇上,单原子和原子簇协同作用促进了H2O的解离过程,为CO_(2)质子化提供丰富的活性氢,进一步加快CO_(2)RR的反应动力学.密度泛函计算和差分电荷密度分析结果表明,单原子的引入优化了原子簇的局域电子结构,诱导d带中心靠近费米能级,从而优化了*COOH中间体的形成能和CO的脱附过程.综上,本文通过合理的活性位点设计实现了多位点的耦合协同,提升了铜基催化剂对于CO_(2)RR的催化活性,优化了铜基催化剂上CO_(2)到CO的选择性,通过机理研究加深了对铜基催化剂上CO_(2)转化模式的认识,为设计高效催化剂提供新思路. 展开更多
关键词 二氧化碳还原 活性位点协同作用 单原子 原子簇 电催化
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太阳能熔融盐供热的CH_(4)-CO_(2)重整热化学储能反应热力学分析
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作者 王洪明 王观竹 《北京化工大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 2024年第3期57-65,共9页
以太阳能熔融盐为载热工质的CH_(4)-CO_(2)重整热化学反应是极具应用潜力的热化学储能技术,为探讨工业级CH_(4)-CO_(2)重整储能反应器在不同操作条件下热力学性能的变化规律,建立了基于太阳能熔融盐供热的CH_(4)-CO_(2)重整储能反应器... 以太阳能熔融盐为载热工质的CH_(4)-CO_(2)重整热化学反应是极具应用潜力的热化学储能技术,为探讨工业级CH_(4)-CO_(2)重整储能反应器在不同操作条件下热力学性能的变化规律,建立了基于太阳能熔融盐供热的CH_(4)-CO_(2)重整储能反应器的二维拟均相数学模型,通过数值模拟分析了反应混合物进口温度(T_(in))和进口摩尔流率(F_(tot,in))对反应器内温度、反应转化率和热化学储能效率等的影响规律。结果表明:当进口温度较高时(T_(in)=823 K),转化管内温度沿转化管轴向表现为先降低后升高的变化趋势;当进口温度较低时(T_(in)=573K),转化管内温度沿转化管轴向单调升高;T_(in)=573K下,随着进口摩尔流率的增大,反应转化率单调减小,化学储能效率呈现先增大后减小的变化趋势;在进口摩尔流率相同的条件下,进口温度越高,反应转化率和化学储能效率越大;T_(in)=823 K下,随着进口摩尔流率的增大,显热储能效率和热损失率减小,化学储能效率增大;F_(tot,in)=1 mol/s下,随着反应混合物进口温度的升高,化学储能效率与热损失率增大,显热储能效率减小。 展开更多
关键词 太阳能 热化学储能 CH_(4)-co_(2)重整反应 储能效率
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