双金属合金团簇M12Ni(M=Pt,Sn,Cu)催化甲烷干法重整反应的理论研究

利用密度泛函理论(DFT)研究了M₁₂Ni(M=Pt, Sn, Cu) 3种双金属合金团簇的电子活性和结构稳定性, 并探讨了甲烷干法重整反应(DRM)在M₁₂Ni双金属团簇表面的反应能量变化情况. 经比较发现甲烷脱氢和二氧化碳活化过程在Pt₁₂Ni团簇表面进行需克服的活化能垒最低, 反应最易进行. Sn₁₂Ni团簇上生成碳需要较高的活化能, 说明Sn₁₂Ni团簇能够有效抑制焦碳的生成, 一定程度上克服了碳沉积导致的催化剂失活现象, 并且Sn₁₂Ni团簇在C ^*和CH ^*氧化过程中表现出最佳的催化活性. Cu₁₂Ni团簇仅在甲烷脱氢过程中表现出较为优异的催化活性.     

基于模式跳变的井下便携式高精度CH_4浓度监测系统设计

为了在矿井中实现快速、便携式的甲烷浓度检测,同时系统还具备高灵敏度及长的工作周期,设计了基于半导体激光器模式跳变的差分光学光谱吸收法,建立了井下甲烷浓度无线检测系统。系统利用调制电流使半导体激光器的输出波长发生模式跳变,从而获得了两个相近波长的激光,其中一个在甲烷的特征吸收峰上,而另一个基本不被吸收。实验中将两束光分别照射被测气室时,两束光的光强之差代入比尔朗伯定律即可求解气室内的甲烷浓度。实验结果显示,调制电流从20.0 mA增大到60.0 mA过程中,输出波长在电流达到48.3 mA时发生跳变,由1 650.888 nm改变为1 651.020 m。通过HITRAN光谱数据库可知,波长1 650.888 nm位置可作特征吸收峰,而波长1 651.020 nm适合作参考波长。在此基础上,对密闭容器内标准浓度的甲烷气体进行测试,采用H-BD5GD410-HC型便携式甲烷检测仪的测试数据作对比。两种检测结果相近,但随着浓度不断地增高,该系统的检测误差相对平稳,略优于甲烷检测仪。系统的检测误差均低于0.050%,在不采用昂贵的锁相器、检相电路的条件下,实现了精度优于0.10%的井下甲烷浓度检测。     

甲烷浓度对碳化硅基底金刚石薄膜摩擦性能影响

利用热丝化学气相沉积法(HFCVD)在碳化硅基底上制备金刚石薄膜,采用场发射扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、原子力显微镜研究了在不同甲烷浓度条件下制备的金刚石薄膜表面形貌及物相组成,在干摩擦条件下通过往复式摩擦磨损实验测试并计算了已制备金刚石薄膜的摩擦系数和磨损率,结合物相分析及摩擦磨损实验结果分析了甲烷浓度的改变对金刚石薄膜摩擦磨损性能的影响。结果表明,由于甲烷气体含量的升高,金刚石薄膜结晶质量下降,薄膜由微米晶向纳米晶转变。摩擦磨损实验结果显示:3%甲烷浓度条件下制备的金刚石薄膜耐磨性较好,磨损率为2.2×10^-7 mm³/mN;5%甲烷浓度条件下制备的金刚石薄膜摩擦系数最低(0.032),磨损率为5.7×10^-7 mm³/mN,制备的金刚石薄膜的耐磨损性能相比于碳化硅基底(磨损率为9.89×10^-5 mm³/mN)提升了两个数量级,显著提高了碳化硅基底的耐磨性。     

LaNi0.5Co0.5O3催化剂对甲烷二氧化碳干重整反应在CO2渗透膜反应器中的影响

制备了混合导体膜反应器,通过电化学方法捕获CO2,并将其用于甲烷二氧化碳干重整反应中.采用XRD, SEM,TPR等技术系统研究了LaNi0.5Co0.5O3催化剂在膜反应器中对甲烷二氧化碳干重整反应的影响.结果表明:LaNi0.5Co0.5O3催化剂在甲烷干重整反应中能原位析出纳米金属Ni和Co,对反应起到了较好的催化作用,同时抑制了积碳.催化剂还具有良好的氧化还原性能,可以循环利用.     

石英砂粒径对水合物沉积物力学性质的影响

利用自主研发的水合物沉积物原位合成与力学性质测试的高压低温三轴仪,通过多级加荷的试验方法,以不同粒径的砂粒作为沉积物骨架进行三轴压缩试验,得到了剪切过程的应力-应变关系曲线,以及不同粒径尺寸沉积物的强度,还有剪切过程中的体积变化关系。结果表明:含水合物沉积物强度随着沉积物粒径尺寸的增大而增强;在降压剪切过程中,所有粒径的水合物沉积物式样均有明显的剪缩现象。     

钒硼双原子阳离子活化甲烷研究

Methane activation by transition metal species has been extensively investigated over the past few decades. It is observed that ground-state monocations of bare 3d transition metals are inert toward CH₄ at room temperature because of unfavorable thermodynamics. In contrast, many mono-ligated 3d transition metal cations, such as MO⁺ (M = Mn, Fe, Co, Cu, Zn), MH⁺ (M = Fe, Co), and NiX⁺ (X = H, CH₃, F), as well as several bis-ligated 3d transition metal cations including OCrO⁺, Ni(H)(OH)⁺, and Fe(O)(OH)⁺ activate the C―H bond of methane under thermal collision conditions because of the pronounced ligand effects. In most of the above-mentioned examples, the 3d metal atoms are observed to cooperate with the attached ligands to activate the C―H bond. Compared to the extensive studies on active species comprising of middle and late 3d transition metals, the knowledge about the reactivity of early 3d transition metal species toward methane and the related C―H activation mechanisms are still very limited. Only two early 3d transition metal species HMO⁺ (M = Ti and V) are discovered so far to activate the C―H bond of methane via participation of their metal atoms. In this study, by performing mass spectrometric experiments and density functional theory calculations, we have identified that the diatomic vanadium boride cation (VB⁺) can activate methane to produce a dihydrogen molecule and carbon-boron species under thermal collision conditions. The strong electrostatic interaction makes the reaction preferentially proceed the V side. To generate experimentally observed product ions, a two-state reactivity scenario involving spin conversion from high-spin sextet to low-spin quartet is necessary at the entrance of the reaction. This result is consistent with the reported reactions of 3d transition metal species with CH₄, in which the C―H bond cleavage generally occurs in the low-spin states, even if the ground states of the related active species are in the high-spin states. For VB⁺ + CH₄, the insertion of the synergetic V―B unit (rather than a single V or B atom) into the H₃C―H bond causes the initial C―H bond activation driven by the strong bond strengths of V―CH₃ and B―H. The mechanisms of methane activation by VB⁺ discussed in this study may provide useful guidance to the future studies on methane activation by early transition metal systems.     

约束端面对管内甲烷爆炸特性的影响

为研究不同约束端面下甲烷的爆炸特性，利用自行搭建的实验平台完成了多种约束端面下不同浓度甲烷的爆炸实验。研究表明:约束端面的性质对甲烷的爆炸特性有显著影响，约束端面的承压强度越高，甲烷的爆炸超压越大。单层PVC薄膜作用下，薄膜破裂，不会引起火焰与超压的振荡；而纸膜破裂后，管道内外气流的高速泄放和回流则会引起超压振荡，使火焰前锋波动并发生扭曲变形；两者共同作用时，PVC薄膜会阻碍气流的泄放与回流，加速超压衰减，抑制火焰和超压的振荡。然而，随着纸膜层数增加，破膜时管道内外形成的巨大压差会使约束端面完全破裂，降低PVC薄膜的抑制作用。当破膜难度达到一定程度时，约束端面作用下的泄压峰值成为不同浓度甲烷爆炸的最大超压峰值，且泄爆压力并不随甲烷浓度的改变而改变，因此不同浓度甲烷的爆炸超压在较高的泄爆压力下相同；此时，相同约束端面下不同浓度甲烷的压力振荡曲线在压力衰减的前半个周期内完全重合，管道内外的压差成为主导超压振荡的重要因素，而不同浓度甲烷的燃烧速率对超压振荡的影响则可以忽略不计。     

三氯一氟甲烷分子在辐射场中的光谱性质与解离特性研究

采用B3LYP/6-311++g(3df,3pd)方法和基组对氟利昂物质CFC-11 (CFCl_3)分子进行了一系列的理论研究.包括了该分子的基态结构、电偶极矩、总能量、最高占据分子轨道能级E_H和最低未占据分子轨道能级E_L、能隙、红外与拉曼光谱性质、C-F键解离,并探讨电场对该分子的影响.结果表明:基态结构优化后的理论计算值和实验值的最大误差低于2%,C-F键受电场强度的增大而被拉长,能隙E_g随E_H和E_L的变化出现先增大后减小;电场影响着CFC-11分子的红外与拉曼光谱吸收强度,红外与拉曼光谱随着电场变化出现红移或蓝移现象.电场可作为一种辅助手段对其重叠或准重叠谱线进行分离.势阱深度随反向电场逐渐增大而减小,直至消失,使得C-F键的束缚能力逐渐减弱.本文有望为实现CFC-11分子最终发生解离而降解提供一种可行有效的调控手段.     

氧化石墨烯杂化Eu(DBM)3Phen配合物合成及发光性能

基于超声辅助溶剂热法合成了一种氧化石墨烯杂化铕(Ⅲ)-二苯甲酰甲烷-邻菲罗啉(Eu-DBM-Phen-GOs)光转换发光材料,采用元素分析、热重、红外光谱、X射线粉末衍射、扫描电镜、荧光光谱对结构和性能进行表征。结果确认GOs有效杂化,GOs通过参与配位成键和提供配合物沉积基底方式影响发光性能,适量掺杂有助于改善发光性能。掺杂量为0.015%wt时,分解温度达到250℃以上,具有良好的热稳定性,荧光激发和发射强度显著增强,量子产率23.6%,荧光寿命0.266ms,色坐标(0.643 2,0.338 8),红光性能品质得到一定提高。     

氮气喷出对管道瓦斯爆炸的阻爆研究

为探究喷出氮气对瓦斯爆炸火焰传播的抑制能力，设置三种氮气喷头布置方式来进行阻爆实验，采用的氮气喷出压力有0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 MPa，爆炸开始后喷射氮气，爆炸结束后氮气立刻关闭。结果表明，单喷头距泄压口20 cm时，各压力下喷出的氮气都未能阻爆，但火焰在整个管道内的平均传播速度随氮气压力增大而减小；单喷头距泄压口35 cm时，喷气压力0.5 MPa下成功阻爆，其他喷气压力下未能阻爆；双喷头喷气时，喷气压力0.3、0.4、0.5 MPa情况下都能够阻爆，且喷气压力越大，火焰被阻止的位置越靠前。阻爆的实现，需要氮气在阻爆位置将管道截面上的预混气稀释到可燃极限以下，因而氮气量是影响稀释的重要参数。单喷头时，喷头距离泄压口远更易于实现阻爆。采用双喷头时，氮气区扩大，阻爆所需氮气压力、氮气总量比单喷头时都大为降低。