共价有机框架负载贵金属铂用于电催化析氢

我们探究了共价有机框架负载贵金属Pt的电催化析氢性能.以2,6-二氨基蒽醌和2,4,6-三甲酰基间苯三酚为构筑单元,采用溶剂热法合成了TP-DAAQ COF.随后通过金属前驱体浸渍法制备了Pt-TP-DAAQ COF.X射线粉末衍射,傅里叶红外光谱,氮气吸附/脱附等表明成功制备了TP-DAAQ COF和Pt-TP-DAAQ COF.电化学测试结果表明Pt-TP-DAAQ COF(其中含有5.8%的Pt)展现了比20%Pt/C优异的电催化活性.当电流密度为10 mA∙cm^(-2)时,Pt-TP-DAAQ COF的过电位为45 mV,Tafel斜率为29 mV∙dec^(‒1).这高效的电催化活性源于TP-DAAQ COF与Pt之间良好的协同效应.Pt-TP-DAAQ COF具有较大的比表面积和规整的一维孔道,使催化位点更易于与电解液中的物质发生接触和相互作用,从而增强了其催化性能.

预充氢金属疲劳损伤研究进展

在高压氢环境和疲劳荷载作用下,金属承载件会出现材料疲劳性能减损,甚至失效。对临氢构件开展原位氢疲劳损伤研究存在氢安全方面的困难,因此近年来多采用对预充氢金属进行疲劳性能研究的替代方式。简要概述了氢损伤机理,介绍了金属预充氢试验方法,总结了预充氢情况下氢对金属高、低周疲劳性能影响的实验结果;归纳了建立预充氢金属的疲劳寿命模型,对金属氢损伤开展定量分析的研究现状;最后讨论了通过改变临氢材料内氢的渗入量和存在形式来抑制氢对金属的影响来提高临氢材料疲劳寿命的几种方法。

锆基MOF光催化制过氧化氢的综合化学实验设计

为了加强科研成果向实验教学转化和培养学生科研创新能力,设计基于金属有机框架(MOF)材料的光催化制过氧化氢(H_(2)O_(2))综合化学实验。以双氨基功能化联苯二甲酸为配体,四氯化锆为金属盐,苯甲酸为调节剂,通过溶剂热法合成锆基MOF催化剂UiO-67-(NH_(2))_(2)。利用PXRD和UV-DRS对样品结构和可见光吸收性能进行表征。以蓝光LED为光源,探究光源功率、催化剂浓度和反应时间对光催化制H_(2)O_(2)效率的影响。采用罗丹明B为模拟污染物,验证所制H_(2)O_(2)溶液的降解污染物性能。该综合实验涉及MOF合成及表征、仪器测试、数据分析等多个环节,不仅加深学生对化学、材料和环境等多学科基础知识的综合理解,还能激发学生的学习积极性和培养学生的创新能力。

固体氢在极端压强下的超导性能

氢元素在常压下具有最简单的晶体结构和物理性质。随着压强增加,氢单质发生相变,由绝缘体转变为金属,被称为金属氢。数值模拟表明,金属氢具有高温超导电性,因此,金属氢研究也被称为高压物理领域的“圣杯”课题。利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对固体氢在极端高压(0.5~5.0 TPa)下的结构和超导电性开展了系统研究。研究结果表明:固体氢的高压相变序列为I4_(1)/amd→oC12→cI16;对于同一种结构,随着压强增加,电声耦合系数减小,费米面处电子态密度减小,特征振动频率增加,超导转变温度发生小幅变化;在2.0 TPa压强下,固体氢的超导转变温度高达418 K(库伦赝势经验值μ^(*)=0.10)。研究工作将为金属氢及其超导电性的后续理论和实验研究提供参考。

船用金属氢化物储氢技术研究综述

金属氢化物储氢是一种基于化学吸收原理的氢气储存方法,具有高体积储氢密度和高安全性的特点,在船舶储氢领域的应用潜力备受关注。在此背景下,对于金属氢化物储氢技术在船舶上的应用,有着材料性能、反应器性能、热管理系统、成本等一系列有待研究的问题。首先,对金属氢化物储氢技术进行归纳,总结梳理金属氢化物的工作原理及材料性能方面的研究进展,并介绍金属氢化物在船舶上的应用情况;然后,结合氢能船舶的应用环境及需求,分析金属氢化物储氢技术在船舶上应用的技术、经济可行性,并以满足氢能船舶对氢气储量和放氢速率要求为目标,介绍船用金属氢化物储氢系统的研究,包括储氢系统性能研究、储氢反应器结构、反应器结构优化、耦合船舶燃料电池的热管理系统和储氢系统设计思路;最后,结合上述研究内容,对船用金属氢化物储氢系统的研究方向进行总结与展望。

苯和环己烯分步制联环己烷过程催化剂设计及性能提升研究

联环己烷是一种高储氢密度、低沸点储氢试剂。与联苯加氢相比,苯和环己烯烷基化制环己基苯再加氢是一种有望实现大规模制备联环己烷的途径。在成熟的烷基化技术基础上,需进一步开展高效环己基苯加氢催化剂的研发。本研究首先使用酸化的USY分子筛催化苯和环己烯烷基化至环己基苯,获得100%转化率和产物选择性。进一步通过原子层沉积(ALD)在γ-Al_(2)O_(3)表面预先沉积不同厚度的TiO_(2)膜后再负载铂颗粒制得Pt/TiO_(2)/γ-Al_(2)O_(3)催化剂,研究TiO_(2)膜提升催化剂环己基苯加氢性能机制。TEM、CO脉冲吸附、CO-DRIFTs、准原位XPS、H-D交换和H2-TPR表征显示,与Pt/γ-Al_(2)O_(3)相比,Pt/TiO_(2)/γ-Al_(2)O_(3)催化剂不改变Pt颗粒的分散度,但能够形成新的Pt-TiO_(2)相互作用,提高铂表面电子密度、平面活性位点比例和降低氢溢流能垒,提升环己烷基苯加氢性能。研究为进一步发展联环己烷有机液态储氢试剂提供理论支持。相关金属-载体相互作用调控策略可应用于其他芳香性分子高效加氢催化剂的研制。

纳米多孔NiFeCoTi高熵合金电极的析氢反应性能

开发高效、稳定的电催化剂用于电化学水分解制氢至关重要。通过合金化和脱合金化法制备了纳米多孔NiFeCoTi高熵合金电极,并对其碱性析氢反应性能进行了研究。结果表明:该电极具有柱状纳米多孔结构,能够促进电催化反应过程中的电子传递和质量运输,表面的NiFeCoTi高熵合金可以提供双功能的电催化活性位点,促进水的解离和氢中间体的吸附/结合。在1 M KOH电解液中,纳米多孔NiFeCoTi电极在~111 mV的过电位下就能够达到400 mA/cm^(2)的电流密度,具有较低的Tafel斜率和优异的长期稳定性。

非贵金属掺杂改性g-C_(3)N_(4)光催化分解水制氢的研究进展

光催化裂解水产氢是缓解能源危机和环境污染两大难题最有前景的技术之一。石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))以其合适的带隙宽度、丰富的活性位点和成本低廉等优点,近年已成为极具有应用前景的光催化材料。然而,单一g-C_(3)N_(4)的可见光响应范围窄、电子-空穴复合严重、光催化产氢效率低等问题制约了其在光催化领域的应用。对g-C_(3)N_(4)进行形貌调控、表面改性、元素掺杂、构建异质结是改善其光催化性能的有效策略。介绍了目前金属掺杂改性g-C_(3)N_(4)复合材料常见的制备方法,归纳了碱金属、过渡金属及稀土金属等非贵金属掺杂改性g-C_(3)N_(4)基复合材料的光催化水解制氢相关研究进展,旨在为光催化分解水制氢方面提供参考。

二氧化铈对熔敷金属氢致塑性损失的影响及其机理研究

针对X80管线钢,设计了金属粉型药芯焊丝的药粉成分,在金属粉中加入了二氧化铈,进行熔敷金属堆焊试验和电化学充氢后的拉伸试验,研究焊材中加入二氧化铈对熔敷金属抗氢脆性能的影响,同时通过氢渗透试验研究了二氧化铈的添加对氢在熔敷金属中扩散的影响.结果表明,熔敷金属的显微组织主要由针状铁素体和晶界铁素体构成.二氧化铈的添加对熔敷金属的夹杂物有显著影响,导致其平均尺寸减小、数量密度增加.加入2%的二氧化铈后,夹杂物的平均尺寸由0.349μm减小至0.258μm,夹杂物数量密度由21429mm^(-2)增加至32254mm^(-2).氢渗透试验结果表明,添加二氧化铈可增加熔敷金属的氢陷阱数目,阻碍氢在熔敷金属中的扩散,这导致熔敷金属抗氢脆性能的提升.因此,熔敷金属的氢致塑性损失率由72%降低至50%.对于充氢拉伸断口形貌,未加入二氧化铈的断口为河流花样的准解理断裂样貌,属于典型的脆性断裂特征.加入二氧化铈的断口有大量韧窝,具有韧性断口特征,但出现明显的鱼眼区.鱼眼区内的源区存在夹杂物或气孔,放射区则呈现准解理断裂.

分子筛负载型催化剂在加氢反应中的应用研究进展

催化加氢反应是合成高附加值精细化学品的重要方法之一。加氢反应催化剂多以金属负载型催化剂为主,常用的载体主要为金属或非金属氧化物。然而受传统金属负载和掺杂方式的限制,金属负载型催化剂中活性金属的落位和粒径分布一直缺乏有效的调控手段,极大限制了该类催化剂的应用。分子筛因其独特的孔道结构、适宜的酸性、可控的孔径和表面性质常被作为载体用于催化加氢反应。在这类反应中,分子筛既可以作为载体负载活性金属,也可以作为酸性催化剂适度参与反应,表现出优异的催化加氢活性和反应稳定性。详细总结了近年来以分子筛为载体的双功能催化剂在催化加氢反应中的最新研究进展,并重点介绍了分子筛的孔道结构调控、活性金属负载方式以及加氢反应类型变化对加氢反应的影响。

基于配位键和氢键的聚丙烯酸酯自修复膜材料的制备与性能

通过乳液聚合合成一系列含金属离子的聚丙烯酸酯乳液,得到含金属离子的聚丙烯酸酯自修复膜材料。该材料利用单体丙烯酰胺上的酰胺官能团与金属离子Cr^(3+)进行配位,并且单体丙烯酰胺上的酰胺基团可以形成具有可逆作用的氢键,形成金属配位键和氢键双重动态可逆作用的自修复聚丙烯酸酯膜材料。研究发现加入金属离子后薄膜具有自我修复能力,金属离子含量不同时其修复效果也不同。研究了薄膜的最佳自修复温度和最佳自修复时间,实验结果表明,金属离子含量为0.15 g时,聚合物的拉伸强度修复率最高可达80%;薄膜最佳自修复时间为12 h,薄膜最佳自修复温度为60℃。利用聚合物中特殊官能团与金属离子配位作用,赋予了自修复材料优异的机械性能和修复性能。

镧镍储氢合金改性制备及吸/放氢性能研究

镧镍合金(LaNi_(5))是公认的性能优良的常温储氢材料,成为固态储氢材料的热门研究对象,然而在循环吸/放氢过程中,材料晶格会因膨胀和收缩导致合金严重粉化,进而缩短其循环使用寿命.为研究掺杂不同质量分数膨胀石墨(EG)的LaNi_(5)-x%EG粉末/压片混合材料的吸/放氢循环稳定性,通过实验获得掺杂EG改性后的镧镍合金导热系数、吸/放氢温度和吸/放氢量.实验结果表明:与LaNi_(5)合金粉末相比,LaNi 5-5.0%EG粉末在100 MPa压力下固化压片后导热系数是其16.47倍,吸氢量提高了47.9%,放氢量提高了144.8%,具有更适合的吸/放氢能力,可进一步应用于大规模的固态储氢场合.

金属镍活性中心在惰性金属载体中的自分散及其催化炔烃选择加氢性能

单位点催化剂因具有较好的活性、较高的原子利用率和目标产物选择性,在基础科学研究及工业生产领域受到了广泛关注.然而,单位点催化剂的合成策略通常较为繁琐,需要精细调控金属活性中心与载体之间的相互作用.较弱的相互作用可能会导致金属活性位点的迁移和聚集,形成金属团簇,进而引发不必要的副反应.另一方面,过分紧密的相互作用可能会限制金属活性位点的原子效率,从而降低反应活性.本文开发了一种简单通用的自分散策略,用于制备金属态单位点催化剂.该方法利用过渡金属活性中心镍在惰性载体(铝和镁)中的自分散行为,成功构筑了含有孤立过渡金属镍活性中心的全金属催化体系.X射线光电子能谱、低能离子散射和球差矫正扫描透射电子显微镜等表征结果证实了镍/铝催化剂中镍物种以金属态存在,且以孤立状态均匀分布于铝基载体的亚表层.在气固相乙炔选择加氢反应中,镍/铝和镍/镁催化剂表现出较好的催化性能,能够实现100%的乙炔转化率和高乙烯选择性.值得注意的是,镍/铝催化剂在碳碳三键选择加氢反应中的催化性能甚至超越了工业界广泛使用的林德拉催化剂.稳定性测试结果表明,镍/铝催化剂在长达90 h的连续反应中,能够维持稳定的乙炔转化率和乙烯选择性,没有明显的活性下降,进一步印证了其在工业应用中的潜在价值.结合动力学分析、原位红外光谱、氢-氘-乙炔脉冲响应实验以及理论计算等结果,详细阐释了镍/铝催化体系上乙炔选择加氢的反应机制.结果表明,氢气分子优先在镍/铝催化剂表面吸附并发生解离,生成氢原子,随后与乙炔分子逐步反应生成乙烯.在该过程中,氢气的解离活化是整个反应过程的决速步.此外,还进一步探讨了镍/铝催化体系对液相炔烃、炔醇选择加氢的性能,发现该催化剂可以在较为温和的条件下高效催化不同官能团修饰的炔烃、炔醇的选择加氢反应,同时保持高底物转化率和较好的烯烃、烯醇选择性,且表现出较好的循环稳定性.综上所述,本文发展了一种全金属单位点催化体系的通用构筑策略,不仅扩展了单位点金属催化体系的合成方法,同时利用全金属体系的本征优势,为化学转化反应过程提供了新的思路.上述发现为设计合成新型高效催化体系提供了重要的理论和实验依据,有望在精细化学品合成工业中得到应用.

储氢金属有机骨架材料分子模拟研究进展

分析了储氢金属有机骨架(MOFs)材料的储氢影响因素、储氢性能指标与评价方法,综述了相关模拟算法构筑与理论计算,阐述了分子模拟方法对储氢MOFs材料方面的研究思路与进展,确立今后的研究发展方向的机遇与挑战,为促进储氢MOFs材料研究和商业应用提供理论依据。

固态储氢技术现状与发展趋势分析

氢能被认为是能源转型、工业及交通领域深度脱碳的关键路径。综述了固态储氢技术现状和发展趋势,梳理了物理吸附、化学储氢和金属氢化物等固态储氢技术路线以及美国能源部等机构提出的重量储氢密度、体积储氢密度、循环寿命和系统成本等关键技术参数的发展目标,指出目前存在的技术经济问题和改进方向,分析了固态储氢应用场景和潜力,并提出未来技术发展、系统集成优化及应用方向等建议,为开展固态储氢技术研究及工程示范提供思路和参考。

半封闭空间内氢化镁粉尘爆炸火焰的传播特性

在自行搭建的5 L粉尘爆炸火焰传播特性实验装置中,实验研究了半封闭空间内氢化镁(MgH_(2))粉尘爆炸火焰的传播特性。实验结果表明:随MgH_(2)粉尘浓度的提高,MgH_(2)粉尘爆炸火焰由点火至稳定传播所用时间先缩短后延长以及预热区宽度先减小后增大,火焰亮度、锋面平滑度、及火焰传播速度呈先提高后降低的趋势,并在质量浓度为800 g/m^(3)时呈最佳燃烧状态。不同浓度的MgH_(2)粉尘爆炸火焰传播瞬时速度整体呈波动趋势,波动幅度随浓度的提高而先减小后增大,800 g/m^(3)时波动幅度最小,瞬时传播速度变化趋势随浓度的变化呈现不同的变化趋势。最后,根据MgH_(2)爆炸产物的XRD测试结果,分析MgH_(2)粉尘爆炸反应机理,发现MgH_(2)粉尘爆炸是以MgH_(2)燃烧反应为主并伴随有MgH_(2)和Mg(OH)2分解以及Mg和H_(2)氧化等多个总包反应的复杂过程,爆炸反应的最终产物为MgO。

Fe/Co/Ni基催化剂制备及氨分解制氢性能

氢能因具有高效、清洁、可持续等优点,被认为是最具发展潜力的化石燃料替代能源。氨气作为一种储氢材料,具有高储氢密度、易液化等优点,因此氨分解制氢是一种理想的氢气制备方法。开发中低温下高选择性、高活性、廉价的氨分解催化剂具有重要意义。Ru基催化剂是氨分解活性最高的单金属催化剂,但成本较高,Fe、Co、Ni等过渡金属是Ru的合适替代品。与此同时,催化剂载体的选择是制备高效催化剂的关键因素。采用浸渍法制备了以γ-Al_(2)O_(3)、SiO_(2)、MgO、TiO_(2)为载体,Fe、Co、Ni为活性组分的系列氨分解催化剂,在氨催化裂解反应平台开展了反应温度400~700℃、空速比18000 h^(-1)条件下的催化剂活性评估试验,并在此基础上对合成的催化剂进行了XRD、BET、SEM、TEM等表征分析,探究不同活性组合、载体种类、反应温度等因素对氨催化裂解的影响。结果表明,Ni/Al_(2)O_(3)催化剂活性最高,空速为18000 h^(-1)、600℃时的氨分解率达91.67%,650℃时可基本实现氨的完全分解。除SiO_(2)载体外,Ni基催化剂的活性整体高于Fe和Co基催化剂。表征发现在Ni/γ-Al_(2)O_(3)催化剂存在NiO与γ-Al_(2)O_(3)形成的复合氧化物结构,同时γ-Al_(2)O_(3)载体更大的比表面积和孔体积有利于提高氨分解转化率。

渣油加氢装置催化剂级配体系优化及其应用情况

随着渣油加氢装置处理混合原料呈现劣质化、重质化的趋势,并且掺炼加工了沙重、巴士拉中等劣质原油的渣油组分,对催化剂级配方案提出了更高的要求。为了满足企业装置要求加氢渣油金属质量分数≯12.0μg·g^(-1)实际生产需求,在第三周期催化剂级配方案的基础上,对第四周期的催化剂级配方案进行调整优化,保护催化剂、脱金属催化剂、脱硫脱金属过渡催化剂的级配比例分别提高了2.30百分点、3.84百分点、6.66百分点。在第四周期与第三周期混合原料性质相差不大的情况下,第四周期金属(Ni+V)脱除率比第三周期提高了2.62百分点,达到了87.07%,满足了企业实际生产需求。

铜渣金属化球团熔分试验研究

阐述了铜渣经煤基氢冶金回转窑还原成金属化球团后,在直接还原料、磨选铁精粉和铁精粉造球三种条件下进行熔分试验。对比三次熔分试验结果发现,煤基氢冶金回转窑还原成的金属化球团经破碎、磨粉、磁选为铁精粉后冷压造球再熔分,其冷压球强度和粒度适合熔分炉要求,极大减少了炉渣量,可持续进行熔分,从而提高了熔分效率。

基于固态储氢与燃料电池耦合的车载氢能源系统建模与特性分析

探讨了一种使用金属氢化物储氢罐和质子交换膜燃料电池的车载氢能源系统,旨在通过数学建模和工况测试评估氢能源系统内部的热量耦合效应。基于热交换系统结构和换热特性提出了氢能源系统多物理场模型,又基于增程式燃料电池物流车运行工况进行了数值模拟和试验验证。结果表明,所提出的数学模型能准确表征车载氢能源系统的动态特性,功率响应与温度动态变化具有显著的一致性。借助热交换系统提供热量补充,低温条件下固态储氢罐释氢速度加快,提高氢能源系统的动态响应速度和能源利用效率。研究结果可用于基于固态储氢与燃料电池耦合的氢能源系统最优尺寸设计、温度控制和能量管理策略设计。