具有增强电荷转移驱动的磺酸基功能化g-C3N4光催化剂的设计合成及应用

随着全球环境问题日益严重以及能源需求的不断增长,人们对高效环境修复与能源转换技术的需求日益增强.以半导体材料为光催化剂,可将可再生的太阳能转化为化学能,有望成为解决人类面临的能源和环境问题的有效途径.其中,开发高效稳定的光催化剂是该技术得以实际应用的关键.近几十年,研究人员开发出多种半导体材料并应用于光催化研究.其中,具有可见光响应的有机非金属光催化剂石墨相氮化碳(g-C₃N₄)因其稳定的分子结构,较小的禁带宽度(~2.7 e V)以及合适的能带结构而备受关注.然而,与大多数半导体光催化剂相似,由于传统g-C₃N₄上的光生电子和空穴极易复合,表面催化活性位点较少,可见光响应范围较窄,使得其催化效率不高.基于g-C₃N₄独特的有机分子结构,通过引入功能化的特定基团以优化g-C₃N₄的电子能带结构,促进载流子传输,拓展可见光响应范围,是提高其光催化效率的有效途径.已有研究表明,在各种功能化官能团中,具有强电负性的含氧基团对g-C₃N₄的Melon单元优化是非常有效的.因此,本文通过g-C₃N₄与氨基磺酸间的简单固相热反应成功合成了磺酸基功能化的g-C₃N₄纳米片(SACN),并实现了同步增强的相互作用.根据固体强酸特性,氨基磺酸可以在热处理的辅助下对g-C₃N₄进行酸刻蚀,从而增加其比表面积以及表面催化活性位点.更重要的是,理论计算与实验表征结果表明,磺酸基团的吸电子诱导效应所产生的电荷驱动力可极大改善g-C₃N₄的电荷转移动力学,有效抑制了它们的再结合.此外,吸电子诱导效应还可促进g-C₃N₄的局域电子再分布,进而降低g-C₃N₄的导带电位,增强光诱导电子的还原能力.光催化性能测试结果表明,SACN-400样品(前驱体中氨基磺酸加入量为400 mg)在光催化分解水制备氢气以及光降解传统污染物领域展现出较好的性能,其在入射光波长为420±15 nm时的产氢表观量子效率为11.03%.综上,本文为设计合成具有较高产氢性能以及污染物降解效率的石墨相氮化碳基光催化剂提供了一种简便有效的策略.     

短脉冲激光作用下丙酮液池沸腾现象的瞬态观测

本文对短脉冲激光作用下试件表面的温度变化和丙酮液体汽泡行为进行了瞬态观测,研 究了激光参数和细小金属颗粒等因素对丙酮液体沸腾行为的影响。结果表明：激光参数中,脉宽是 影响温度曲线和汽泡行为的主要因素,随着激光脉宽增大,大汽泡的长大时间和脱离直径减小;汽 泡长大速度与常规沸腾时的完全不同,没有出现等温生长阶段,在激光脉冲后很长时间内汽泡长大 速度快速增大;试件表面覆盖细小金属颗粒后,沸腾过程变得非常剧烈。     

经典理论对超急速爆发沸腾的适用性

分析了难以用经典热力学、动力学理论求液体极限温度的原因,指出了三种汽泡形核率公式的异同点及适用条件,分析表明常规沸腾汽泡压力公式及经典汽泡动力学理论因其过多的理想化假设和简化而不适用超急速爆发沸腾。     

多孔介质高强度传热传质的理论研究

提出了高强加热下含湿多孔介质传热传质新模型,模型包括的水分种类齐全、水分迁移机制全面,假设条件相对较少,考虑了非Fourier传热效应和非Fick传质效应,模型通过具体的含湿量分区分析得到简化。     

脉冲激光作用下表面液膜相变行为的实验观测

本文采用显微放大摄影及快速瞬态温度检测系统，对高能脉冲激光作用下金属表面液膜的相变行为进行了观测、拍照及瞬态温度测量，初步揭示了一些新的物理现象，并研究了激光功率密度、脉冲宽度、工质种类等对表面液膜相变行为的影响．     

超急速温升沸腾热流密度研究

本文以不干涉测温系统的激光为热源,以高响应、高测量精度的铂薄膜电阻为测温元件和加热元件,从而保证了研究丙酮液体在超急速温升条件下的沸腾热流密度时瞬态测量的精确性。利用显微镜和数码相机对沸腾过程进行照相,计算了丙酮液池的温度场、热流密度及其蒸汽量,得出了沸腾曲线,发现了过冷沸腾中汽泡并不淹没的现象。     

动力排气系统细水雾蒸发冷却试验研究

为了掌握设计的细水雾蒸发冷却器对发动机排气的喷雾降温性能,建立了喷雾降温试验台,用设计的屏蔽式气相测温装置和压力损失测量装置,准确测量了排气管内喷雾后的排气温度和压力损失。结果表明,细水雾蒸发冷却器向发动机排气内喷雾80 s,高温排气即可降至稳定温度,排气压力损失比喷雾前减小;雾化压力越大,喷雾流量越大,喷雾降温效果越好,压力损失越小;排气出口对应的液态水饱和温度可视为喷雾降温的极限温度。     

基于机器视觉的细水雾液滴尺寸测量与分析

为了满足科研与工程中对细水雾液滴尺寸测量的高精度低成本要求,对雾滴尺寸的机器视觉测量方法进行了深入研究.在自行建立的高压喷雾系统与雾滴采集装置上对细水雾液滴进行了采样,用显微镜及其CCD相机对雾滴样本进行了图像采集,用图像处理软件对采集的雾滴图像进行了处理与分析,测量并统计了5966个雾滴,得到了雾滴尺寸的频谱分布和累积分布以及雾滴平均直径和特征直径,将测量结果与相位多普勒粒子分析仪(PDPA)的测量结果进行了比较.结果表明,机器视觉方法町测量的最小雾滴直径约4.39 μm;机器视觉测量结果与PDPA测最结果相当接近,两种方法测得的细水雾液滴平均直径和特征直径的相对误差均在5%以内,雾滴尺寸均匀度指数的相对误差为0.27%.