从废水到新能源:光催化燃料电池的优化与应用

随着经济的飞速发展,社会对能源的需求日益扩大,对工业废水的无害化处理也提出了更高的要求。光催化燃料电池 (photocatalytic fuel cell, PFC) 在燃料电池中引入半导体光催化材料作为电极,实现了有机污染物高效降解和同步对外产电的双重功能,在废水无害化与资源化利用方面具有潜在的应用价值。半导体光催化电极是PFC系统高效运行的核心组件,增强其可见光响应和光生载流子分离是提高PFC性能的关键策略。反应器结构设计和运行参数优化也有利于改善PFC性能。本文从PFC基本原理和应用入手,综述了PFC在环境污染物资源化处理中的研究进展,并详细阐述了提高PFC的污染控制性能和产电效率的优化手段,为进一步设计高效稳定的PFC系统并实现其在水污染控制和清洁能源生产中的应用提供理论指导。     

乙烯在钯圆盘电极的电化学氧化研究（英文）

由于巨大的潜在市场,乙烯的电化学氧化受到愈来愈多的关注。目前,主流的电化学氧化法仍以依赖于氧化还原媒介的介导氧化法为主,而这些媒介的使用在电解过程中产生大量的腐蚀性中间体,使其实际应用受到阻碍。直接电氧化法可有效规避此问题,但又受到低活性和低选择性的限制。在本工作中,我们针对目前最先进的钯催化直接氧化体系,在中性条件下开展了一系列电化学研究,以对该过程的机理获取更深入的认识。在氮气和乙烯氛围下,钯电极的循环伏安谱图有显著区别。我们发现电解过程中生成的Pd(Ⅱ)物种在乙烯氛围下可绕过原本的电化学还原路径,通过一个化学步还原为Pd(0),因此可能是乙烯氧化的活性位点。Pd(Ⅱ)物种所对应的还原峰也因此可作为乙烯吸附的数量的指标。通过电化学脉冲序列的设计,我们在钯催化剂上识别了两种具有不同吸附强度的乙烯,其强、弱吸附模式所对应的电荷转移比例约为0.3:1。弱吸附的乙烯在钯电极表面表现出可逆的吸脱附行为,而具有强吸附模式的乙烯无法通过物理过程脱附,可能指向到乙烯深度氧化过程。这项工作为进一步设计高性能乙烯直接电氧化催化剂提供了设计思路和方向。     

石榴状单质铋(Bi)球与g-C3N4复合材料表现出超强可见光氧化NO性能

采用一种原位合成工艺制备了具有类石榴结构的金属铋(Bi)单质修饰的g-C3N4复合材料(Bi-CN),并用于可见光氧化NO反应中.金属Bi单质镶嵌在CN层间形成的复合物,由于金属Bi单质显著的表面等离子体共振(SPR)作用可将光吸收范围由紫外光延展至近红外,极大地提高了复合物的光吸收.此外,由于Bi单质存在于复合物界面可产生内建莫特-肖特基效应,从而加快光生载流子的分离与转移.由此,Bi-CN复合物光催化剂展现出超强的光催化去除NO性能.我们提出了类石榴结构的形成以及相应的Bi-CN复合物光催化活性的提高机理.这不仅为高效的金属铋单质改性的g-C3N4基光催化剂提供了一种新的设计方案,也对g-C3N4基光催化的机制理解提出了新的见解.通过X射线衍射、红外光谱和X射线光电子能谱结果发现Bi是以金属单质的形式存在于Bi-CN复合物中,这得益于我们采用了二水合铋酸钠(NaBiO3·2H2O)作为铋前驱体,从而成功避免了氧化态铋的形成.Bi-CN复合物中金属铋单质的存在有诸多优点.首先,金属铋单质具有显著的表面SPR效应,它的引入可大大提高复合物的光吸收能力和太阳光利用率.有研究表明,直径为150–200 nm的铋球能够在紫外-可见漫反射图谱(UV-vis)在λ=500 nm处呈现出典型的SPR峰,但本样品在λ=200–800 nm区间内并未发现该SPR峰.由于铋单质的共振受限于其尺寸大小、颗粒形状和构造环境.本文中球形铋单质的直径约为1μm,其可能发生共振效应的峰位置应超过800 nm,因此未发现相应的SPR峰.其次,金属铋单质分散在CN层表面上构建的肖特基垫垒能够高效地阻止光生电子与空穴的复合,促进了光生载流子的分离与转移,从而提高光氧化NO进程.再者,金属铋单质的介入成功构造了Bi-CN异质结,在可见光照射下NO氧化反应中,Bi-CN复合物活性显著高于CN(22.2%)、CN-EG(36.4%)和Bi(14.1%),其中以10%Bi-CN活性最佳,NO去除率到70.4%,远远超过K插层的g-C3N4、Ag掺杂的g-C3N4和氧化石墨烯修饰的g-C3N4.当复合物中金属铋单质含量超过10%时,其活性明显下降.这是因为大量的金属铋单质积聚在Bi-CN复合物表面上而造成物理堵塞,妨碍了CN吸收可见光,从而降低了其可见光吸收能力;同时导致只会吸收更多的紫外光(λ<280 nm)而不是可见光,因而其可见光催化氧化NO能力下降.     

带有相依重尾冲击的Poisson噪音过程尾的一致渐近性质

本文考虑了带有某种相依重尾冲击的Poisson噪音过程尾的一致渐近性质.当冲击是二元上尾渐近独立的非负随机变量具有长尾和控制变化尾分布且噪音函数具有正的上下界时,得到了过程尾概率的一致渐近公式.进而,当冲击具有连续的一致变化尾分布时,去除了噪音函数具有正的下界的限制.对于噪音函数不一定具有正的上界的情形,当冲击具有两两负象限相依结构时,也得到了一致渐近性结果.     

圆柱绕流尾迹中相干结构对湍流特性的影响

实验研究了圆柱尾迹中相干结构对湍流平均量的影响.用一个X热线在距离圆柱体y/d=4测量参考信号,用X热线和冷线相结合的三线探头测量从x/d=10～40的圆柱绕流尾迹中的速度和温度脉动,用条件平均的方法研充圆柱绕流近尾迹中的相干结构,并对相干结构对动量和热量的湍流输运过程的影响进行初步分析.结果表明:相干结构对尾迹中速度的横向脉动影响最大;相干结构对湍流参数的影响随x/d的变化明显.该工作还对相干结构引起的湍动能产生率变成负和逆温度梯度输运现象做了定性的解释.     

香港全风化花岗岩饱和直剪试验中的剪胀问题

通过对全风化花岗岩的慢剪试验,指出了在直剪试验中出现的两种垂直位移变化形式,其对土体的剪胀剪缩性质的 反映与三轴试验是一致的。剪胀的发生与土体的密实程度密切相关;随垂直压力的增大,剪胀发生所需剪应力也增大;剪应 力达到峰值所需要剪位移总是比剪胀发生时所需的剪位移大。     

Trefftz法中的自锁现象及变量减缩法

用Trefftz型边界解法分析了中厚板弯曲问题,发现了一类新的、因Trefftz函数溢机引起的“自锁现象”,并提出了一种消除这类自锁问题的“变量减缩法”。     

基于数字图像的土、岩和混凝土内部结构定量分析和力学数值计算的研究进展

土、岩及混凝土是一种内部结构极其复杂的材料,内部细观组成和结构决定了它们在外力作用下内部应力和应变等物理场的分布状态,在很大程度上控制了它们的宏观力学响应和破坏机理和过程。自1995年以来,数字图像处理技术作为一种材料细观空间结构及几何形态的精确量测和数字表述手段快速地被应用于沥青混凝土、水泥混凝土、土和岩体材料细观结构定量分析中来。本文在研究相关文献的基础上,分析和研究了数字图像技术在土、岩及混凝土内部结构定量分析和力学数值计算中的发展过程和研究成果,内容包括:单个骨料颗粒形态特征定量分析;土、岩和混凝土内部结构定量分析;岩体结构定量分析中的应用;基于数字图像处理的土、岩和混凝土细观结构力学计算。在此基础上,本文进一步对数字图像技术在岩土领域中的应用进展及未来的发展趋势进行了探讨,认为数字图像作为一种空间分布测量手段和数字表述方法使得它具有巨大的潜力,特别是在岩土领域的纵深发展过程中,它可能实现考虑细微观结构性的岩土力学和工程分析和预测的、新的方法和理论。     

功能铁磁材料的变形与断裂的研究进展

综述了近几十年, 特别是近十几年来铁磁材料的力磁耦合变形与断裂行为的研究概况. 传统铁磁弹性问题的研究已经有较长时间的积累, 文献中已有大量的研究结果发表. 近些年 来, 随着智能材料及结构应用与研究的兴起, 功能铁磁材料如稀土超磁致伸缩材料、铁磁相 变材料以及铁磁复合材料等的力学行为越来越受到重视, 人们在功能铁磁材料的变形与断裂 以及铁磁复合材料的有效性质等方面开展了大量的研究工作. 本文在简单介绍了经典铁磁弹 性和传统铁磁结构的力磁性能的研究背景基础上, 结合作者近年来在铁磁材料变形与断裂方 面所开展的工作, 着重评述了功能软铁磁材料在变形与断裂的实验研究,如实验设备和技术, 以及铁磁复合材料细观力学、软铁磁材料、铁磁功能材料的变形与断裂理论等方面的研究进 展, 并指出了需要进一步研究的方向.     

不同围压作用下非均匀岩石水压致裂过程的数值模拟

从岩石细观非均匀性的特点出发，提出一个描述非均匀材料渗流和破裂相互作用的数值模型。在这个数值模型中，单元的力学、水力学性质根据统计分布而变化，以体现材料的随机不均质性，材料在开裂破坏过程中流体压力传递通过单元渗流，损伤耦合迭代来实现。算例表明，该模型能较好地模拟出岩石类材料在水力压裂作用下，微结构非均匀分布和不同围压比对破裂模式、失稳压力的影响，非均匀性导致试件的开裂压力、失稳压力明显不同，裂纹扩展路径不规则发展，模拟结果和实验结果较为一致。