大概念统领的项目式学习——基于碳中和理念设计低碳行动方案

《国家十四五规划纲要》提出要在2030年实现“碳达峰”,2060年实现“碳中和”。因此,设计并实施了“碳中和”大概念统领的6课时的项目式学习活动。学生在“碳中和”思路的指导及制定低碳行动方案任务的驱动下,经历了探究二氧化碳的来源及去路、寻找降低二氧化碳排放量及增加二氧化碳吸收量的方案、分析方案的可行性等一系列项目活动,不断迭代改进项目作品“低碳行动方案”。项目实施后取得了显著效果,学生的学科观念、对学科价值的理解、态度责任、解决实际问题的能力等均有明显发展。根据教学实践,提炼了设计和实施项目活动的策略。     

正癸烷热裂解实验和动力学模拟

采用自制常压裂解装置, 研究了正癸烷在温度范围为973-1123 K, 停留时间为0.5-2 s时, 热裂解主要气相产物氢气、甲烷和乙烯的分布情况. 根据自主开发的机理生成软件ReaxGen, 构建了正癸烷热裂解的详细机理, 该机理包含1072步反应和281个物种. 进一步进行动力学模拟, 并用实验结果进行了初步验证. 结果表明, 在反应的温度区间内, 短的停留时间有利于乙烯和氢气的生成. 通过敏感度分析, 确定了常压下973 K, 停留时间为1 s时影响氢气、甲烷和乙烯产量的主要反应步骤是烷基的重排和β裂解反应.     

MoS2/管状g-C3N4复合光催化剂的光催化海水产氢性能

采用溶剂热法制备了具有二维/一维(2D/1D)纳米结构的MoS_2纳米片/管状g-C_3N_4(MS/TCN)复合光催化剂,并在可见光照射下用于光催化海水产氢。实验结果表明MS/TCN复合材料的光催化活性优于纯相TCN。此外,MS/TCN-0.5样品(含有0.5%(w/w)的MoS_2)显示出最佳的析氢活性,其产H_2速率为85.1μmol·h~(-1),且在进行循环性测试后,活性没有明显降低。     

烷基过氧化氢中氢提取反应类大分子体系的反应能垒与速率常数的精确计算

自由基与分子反应是一类具有负活化能的非基元反应,通常认为是通过反应复合物的两步过程,在大气化学和碳氢燃料燃烧机理中广泛存在,且在理论计算和实验上广泛研究.以碳氢燃料燃烧机理中重要反应类羟基自由基提取烷基过氧化氢α位氢的反应为研究对象,通过量化计算揭示其反应规律,计算得到其精确动力学参数.在所研究反应类中,定义第一步反应复合物的生成反应的标准摩尔吉布斯自由能变化等于零时所对应的温度为其转折温度T_c,并表明了当T >> T_c时可采用稳态近似法处理该类反应体系,得到总包反应速率常数.所有反应涉及的物种几何结构优化和频率分析均在BHandHLYP/6-311G（d,p）水平下得到,并在所研究反应类中选取了5个代表反应,通过CCSD（T）/CBS单点能计算,得到其最高转折温度为195.17 K,远远低于碳氢燃料燃烧模拟通常关注温度范围的最低温度650 K,表明用稳态近似法处理该类负活化能反应体系是合理的.计算还表明,该类反应的过渡态反应中心几何结构守恒,因此可将等键反应方法引入类反应,通过对低水平从头算得到的反应能垒进行校正,以得到高精度的结果.为了验证等键反应方法的可靠性,选取5个反应作为研究对象,将低水平BHandHLYP/6-311G（d,p）的校正结果和高水平CCSD（T）/CBS直接计算的结果进行比较,反应能垒最大绝对偏差由校正前的19.99 kJ·mol^－1降到校正后的1.47 kJ·mol^－1,表明用等键反应方法,只需在低水平从头算水平下就可以得到高水平的计算结果,从而可解决大分子体系精确动力学参数缺乏的问题.利用等键反应方法计算了20个反应的反应能垒,并结合过渡态理论计算得到了总包反应的速率常数,并揭示了该类反应只在低温段呈现负活化能关系.     

Fe-Mo-Ni-Cu-石墨高温自润滑复合材料的摩擦学性能研究

采用粉末冶金工艺,在Fe-Mo-石墨自润滑复合材料的基础上,制备了添加Ni、Cu两种元素的Fe-MoNi-Cu-石墨高温自润滑复合材料,并在栓-盘式高温摩擦试验机上考察了其在室温、320和450℃下的摩擦学性能;采用金相显微镜、XRD和SEM等表征方法,分析了材料金相组织、物相成分和摩擦表面形貌.结果表明:FeMo-石墨自润滑复合材料中添加Ni和Cu元素,可以强化基体,增强材料的力学性能,改善材料的摩擦学性能.在高温摩擦过程中,Fe-Mo-Ni-Cu-石墨高温自润滑复合材料摩擦表面生成的由石墨+Cu Fe5O8+Fe3O4+Fe2.6Ni0.4O4组成的复合润滑膜是导致其具有良好高温润滑性的主要原因.     

温度对Cu-12.5Ni-5Sn-石墨自润滑复合材料摩擦学性能的影响

采用粉末冶金方法制备出了Cu-12.5Ni-5Sn-石墨自润滑复合材料，通过改变石墨的含量来研究该复合材料的力学性能和在不同摩擦试验温度下的摩擦磨损性能，采用SEM和Raman分析磨损表面，进而讨论复合材料的摩擦、磨损和润滑机制. 结果表明:复合材料的硬度和屈服强度随着石墨含量的增加而逐渐降低；温度对不同石墨含量的复合材料的摩擦磨损性能有显著的影响，在室温下，石墨质量分数为1%和3%的石墨复合材料的摩擦系数和磨损率明显小于5%石墨复合材料；在300 ℃下，石墨质量分数为3%时，复合材料的摩擦磨损性能最好；在500 ℃下，石墨质量分数为5%的石墨复合材料的摩擦磨损性能最好. 在室温下，复合材料具有较好自润滑性的主要原因是形成了几乎光滑连续的石墨润滑膜. 在300和500 ℃下，由金属氧化物和石墨组成的混合物润滑膜是复合材料保持自润滑性的主要原因.      

化学复合镀层与Ti6Al4V为配副时高温摩擦磨损性能的研究

采用化学复合镀工艺,在碳钢表面制备了Ni-P-MoS2和Ni-P-CaF2复合镀层,并对镀层进行热处理.本课题主要对两种复合镀层在高温时的摩擦磨损性能进行对比分析,并将其与Ni-P镀层的摩擦磨损性能进行比对,讨论工作温度对复合镀层摩擦磨损性能的影响,并阐述了镀层在不同温度下的磨损机理.结果表明:当温度从常温升至500℃左右时,Ni-P-MoS2复合镀层的摩擦学性能较优,Ni-P-CaF2复合镀层和Ni-P镀层次之,Ni-P-MoS2复合镀层在高温摩擦磨损时表面生成一层致密的氧化膜起到很好的减摩作用.     

燃烧反应机理构建的极小反应网络方法： C1燃料燃烧

使用极小反应网络方法, 在指定中间物种条件下, 构建反应步数最小的详细燃烧反应机理. 确定了关 于C1燃烧机理的17个物种和14个独立反应, 其中包含氢气燃烧的8个物种6个反应, 对缺乏动力学参数的独立反应进行组合替代, 反应速率常数采用Arrhenius双参数形式. 采用构建的25步反应C1多燃料燃烧机理(MRN-C1)进行了点火延迟时间和层流火焰速度的模拟. 考虑到工程应用对机理组分数的限制, 以CH₄和CH₃OH单组分燃料为例, 考察了去除“滞留”物种后单组分机理与总机理的模拟结果差别.     

多环芳烃与不饱和自由基氢提取反应类的动力学研究

对2~6个环的多环芳烃的氢提取反应类进行了系统研究, 提取氢原子的不饱和自由基包括丙炔基自由基（C₃H₃）、 烯丙基自由基（C₃H₅）、 丁二烯基自由基（nC₄H₅, iC₄H₅）、 环戊二烯基自由基（C₅H₅）以及苯基自由基（C₆H₅）. 采用M06-2X/cc-pVTZ方法得到了多环芳烃的电子结构信息, 利用过渡态理论并结合Eckart隧道校正, 计算了所有反应在500~2500 K范围内的反应速率常数.考察了多环芳烃的大小、 结构对反应速率常数的影响, 对比了不同氢提取自由基及不同氢提取反应类型的速率常数. 结果表明, 多环芳烃的大小对反应速率常数影响不大, 但是多环芳烃的环结构对反应速率常数影响较大. 将不同的氢提取反应类简化为发生在五元环上的C₅类和发生在六元环上的C₆类两类, 结果表明, C₆类的反应活性高于C₅类. 研究了nC₄H₅, iC₄H₅以及C₆H₅自由基与多环芳烃的氢提取反应, 它们的氢提取反应活性大小顺序为C₆H₅>nC₄H₅>iC₄H₅. 通过对每类典型反应的速率常数取平均值, 总结出相应类型的速率规则, 可用于构建多环芳烃和碳烟机理.