直接碳燃料电池燃料的研究进展

直接碳燃料电池(DCFC)是一种清洁高效利用碳资源发电的装置。其因能量转换率高,对环境污染小,燃料选择范围广等优点获得了越来越多的关注。DCFC的性能与使用的燃料密切相关,为了探究燃料对DCFC的影响,本文分别阐述了石墨、炭黑、中密度纤维板、生物质、煤、活性炭的特性及改性方法,分析讨论了燃料表面含氧官能团以及燃料中的金属催化剂对阳极电化学反应的促进作用,发现燃料表面化学性质要比比表面积更加重要。同时,本文也提出了对生物质这一优良的可再生资源的期待,为未来DCFC燃料的发展提供参考。     

电化学还原氧化石墨烯用于四环素电催化检测

四环素(TTC)因其广泛的抗菌性和低生产成本等特点而成为应用最广泛的兽医药物. TTC的大量使用不可避免地导致其进入地表水、地下水和污水处理厂.迄今,已有许多方法用于TTC检测,包括免疫测定法、微生物检测法和化学-物理法等.然而,这些方法费用高,耗时长或需要复杂的样品预处理过程,不适合现场测量或常规分析.电化学分析法具有操作简单、成本低廉、选择性和灵敏度较高、易实现在线检测等特点,在检测领域具有重要优势.石墨烯在电化学传感器领域表现出优越的应用性能,但有关石墨烯材料应用于电分析和电催化方面的报道仍然有限.石墨烯的前驱体氧化石墨烯(GO)片层底面上具有各种类型的含氧官能团和层状边缘,导致其绝缘并具有很多缺陷,使GO包含了sp2和sp3杂化碳原子,为GO提供了独特的具有化学功能的异构电子结构.通过对GO进行还原,可以生成新的sp2域或者改变含氧官能团的数量和类型,从而为GO提供更多的特殊性质.研究表明,电化学还原是一种绿色快速的还原方法,可以控制GO的还原程度和还原过程.本文利用电化学还原法来调整GO表面的官能团和缺陷度,利用在–0.8 V还原电位下得到的电化学还原氧化石墨烯(ERGO-0.8V)修饰玻碳电极(GC)为工作电极(GC/ERGO-0.8V),采用循环伏安法对溶解在pH=3的缓冲溶液中的TTC进行电化学检测,发现ERGO-0.8V对TTC具有电催化性能.利用红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱对ERGO-0.8V, ERGO-1.2V, GO及化学还原得到的石墨烯(CRGO)表面官能团和缺陷程度进行了表征,考察了TTC在ERGO-0.8V/GC上的电化学行为,对其电催化还原机理进行了推测.结果表明,与GO, ERGO-1.2V及CRGO修饰电极相比, GC/ERGO-0.8V修饰电极的催化还原峰在0–0.5 V,对TTC表现出独特的电催化性能, GC/ERGO-0.8V电极对浓度为0.1–120 mg/L的TTC溶液具有良好的检测性能,在不同浓度范围内其氧化峰峰电流与峰电位的线性关系不同. FT-IR和XPS结果显示,在–0.8 V还原电位下得到的ERGO-0.8V,其官能团类型和数量发生变化,但仍存在大量官能团,主要是羧基、羟基和环氧基.同时,拉曼表征显示ERGO-0.8V的缺陷密度增大,同时新生成的sp2域减小而使得ERGO的sp2域减小.对比GO等其他材料的表征结果推测,官能团变化是影响ERGO独特电催化性质的主要因素,除此之外还有材料的缺陷度和sp2域.推测GC/ERGO-0.8V修饰电极对TTC可能的催化机理为： TTC在GC/ERGO电极上的还原与氢醌和醌之间的转换有关;而对于ERGO,则可能对应于羧基和羟基之间的转化.然而,同样具有羧基和羟基的ERGO-1.2V则对TTC没有产生电催化作用.其原因可能是在–0.8到–1.2 V还原电位下,形成的羧基位于石墨烯片层内部,而片层内的电子传递较慢.     

东胜长焰煤热解含氧官能团结构演化的13C-NMR和FT-IR分析

以东胜煤田色拉一号井田2号煤层长焰煤为研究对象,利用浮沉离心法富集其镜质组。基于工业分析、元素分析、¹³C-NMR、FT-IR、谱图分峰拟合技术和化学分析测试,求取镜煤及一系列热解煤含氧官能团结构与含量参数,从不同角度研究了含氧官能团的分布规律与演化特点。镜煤中羧基、羰基含量分别为8.91~10.90 mol/kg、1.61~1.79 mol/kg,随热解温度升高羧基显著减少。热解作用促使以端基形式连接在脂肪链或脂肪环结构氧上的甲基和亚甲基首先脱去,且在温度高于350 ℃后基本稳定。氧在热解过程赋存状态的变化是芳香体系与脂肪体系相互竞争的结果,510 ℃热解煤中芳香类氧和脂肪类氧的含量分别为7.49、3.45 mol/kg。羟基的演化过程与热解过程中氧的赋存状态密切相关。随着热解过程的进行,在热解温度低于440 ℃时,各种羟基含量均减少,热解过程对于大分子网络的破坏干扰了各种氢键作用,而羟基π作用则暂时增强,至510 ℃时各种氢键含量均降为最低。东胜长焰煤中含氧官能团化学活性顺序为:[COOH]>[R-O]>[Ar-O-Ar,Ar-O-C,C-O-C]>[C=O]。镜煤非活性醚键含量为0.68 mol/kg,活性醚键为0.48 mol/kg,主要为非活性醚键。     

固相萃取-气相色谱法测定甲醇制烯烃副产汽油及甲醇制汽油产物中的含氧化合物

采用纯硅胶柱固相萃取技术对甲醇制烯烃副产汽油或甲醇制汽油产物进行预处理,将产物中的含氧化合物与烃类进行色谱分离,采用质谱鉴定产物中的含氧化合物。使用标准溶液优化纯硅胶小柱的洗脱条件,比较预处理方法的回收率,考察预处理方法的重复性。结果表明,标准溶液的各含氧化合物组分回收率为87.7%~95.3%。采用气相色谱-火焰离子化检测器(GC-FID)通过内标法对实际样品中除甲醇和乙醇外的含氧化合物进行定量分析,使用丁酮、叔戊醇、戊酮和己酮的响应因子作为同碳数醛、酮、醇的FID响应因子,定量甲醇制烯烃副产汽油和甲醇制汽油产物中的含氧化合物。对于甲醇和乙醇,采用GC-MS分析提取特征离子用外标法定量。结果表明,甲醇制烯烃副产汽油和甲醇制汽油产物中的含氧化合物以酮类、醛类为主,并有少量的醇类。     

气相色谱法测定车用汽油中含氧化合物和苯胺类化合物

利用中心切割技术和双毛细管色谱柱系统,采用两次进样的方式,建立了气相色谱测定车用汽油中含氧化合物和苯胺类化合物的分析方法。第一次进样分析,组分首先进入非极性DB-1色谱柱(30 m×0.32 mm×1.0μm),按沸点由低到高的顺序分离,通过电磁阀切换将沸点小于2-己酮的组分切割至强极性GS-OxyPLOT色谱柱(10 m×0.53 mm×10μm)或CP-Lowox色谱柱(10 m×0.53 mm×10μm),其余重烃组分通过阻尼柱进入FID检测器。在GS-OxyPLOT或CP-Lowox色谱柱上,烃类组分与含氧化合物分离并进入检测器检测,消除了大量的烃类组分对含氧化合物测定的影响。第二次进样分析,设定电磁阀切换时间为间-甲基苯胺从非极性色谱柱流出的时间,苯胺类化合物在GS-OxyPLOT或CP-Lowox色谱柱上与烃类和含氧化合物分离并进入检测器检测。以乙二醇二甲基醚为内标化合物进行内标法定量。实现了在一套系统上同时测定车用汽油中添加的甲基叔丁基醚(MTBE)、甲醇、甲缩醛、乙酸仲丁酯、乙酸乙酯、苯胺、邻/间/对-甲基苯胺和N-甲基苯胺的含量,各组分的检测范围为0.01%~10%(质量分数),回收率为86.0%~102.6%。该法可以为车用汽油的质量控制提供有效的检测手段。     

基于拓扑指数对含氧有机化合物闪点的定量构效关系研究

闪点是衡量化合物易燃程度的物理量,也是可燃性液体的一个重要安全性指标。本文对含氧有机化合物(包括醇、酚、醚、醛、酮、羧酸、酯等)的闪点与分子结构之间的关系进行分析,提取并计算了顶点度-距离指数(VDI)、奇偶指数(OEI)、边度-距离指数(EDI)、分子体积参数(MVI)和氢键指示变量(HB)等分子结构参数,并结合分子隐氢图顶点数(N)的2/3次方(N~(2/3)),对训练集中81个含氧有机化合物的闪点进行定量结构-性质相关分析。结果表明,由N~(2/3)、VDI、EDI、OEI、MVI和HB等6个参数对闪点建立的多元线性回归模型的相关系数(R)为0.9909,标准偏差(s)为6.39K,平均相对误差(ARD)为1.60%。用该模型对测试集中20个含氧有机化合物的闪点进行了预测,ARD为1.84%。     

氢氧根和烷氧基负离子含氧亲核试剂在富勒烯衍生化中的应用

富勒烯衍生化合物在有机光电、生物医学等领域表现出良好应用前景,相关的富勒烯衍生化方法研究引起了广泛关注,近年来发展迅速。富勒烯由于具有较强的缺电子性质,容易与亲核试剂反应。但相比于碳亲核试剂,含氧亲核试剂与富勒烯的反应发展缓慢,长期被忽略。我们结合本课题组最近开展的工作,对OH~-与MeO~-含氧亲核试剂参与的富勒烯衍生化反应的最新进展进行了总结,并对反应机理进行了较为详尽的阐述,为进一步扩展富勒烯衍生化方法提供参考。     

氧化石墨阳离子交换容量测定过程中结构的变化

氧化石墨(GO)结构层上的碳羟基(―C―OH)和边缘羧基(―COOH)在水介质中发生质子化反应解离出的H+具有阳离子可交换性。实验采用甲醛缩合法测量了GO的阳离子交换容量(CEC),用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱和X射线光电子能谱(XPS)分析测试手段对GO阳离子交换过程中间产物的结构变化进行了分析。结果表明,GO的CEC高达541.48 mmol/100 g。NH_4~+和Ca~(2+)交换后的GO,保持稳定的层状结构,c轴方向层间距分别增大了0.1499和0.2905 nm。NH_4+和Ca~(2+)主要以层间可交换阳离子形式存在于层间域中,并与水分子形成可交换水化阳离子层,部分以[NH_4(H_2O)_6]+和[Ca(H_2O)_6]_2+的形式存在于结构层的边缘附近,共同平衡结构层水解产生的负电荷。     

基于悬滴法的纳米燃油表面张力测量与分析

以柴油为基液、溴化十六烷三甲基铵(Cetyltrimethyl Ammonium Bromide,CTAB)为助溶剂,通过两步法配制CNT(Carbon Nanotubc)、CeO₂及Co₃O₄纳米燃油。采用悬滴法测量柴油与纳米燃油的表面张力,探究纳米物质种类、粒径、质量分数及温度对纳米燃油表面张力的影响。研究发现,在纳米燃油液滴气液界面层内,纳米粒子与柴油分子之间的吸引力使液固分子体系总体的内聚力增强,因而表面张力增大;纳米燃油的表面张力随着粒子质量分数增加而增强,但随着温度升高而线性下降。大粒径的纳米粒子表面电荷密度降低,对表面电子束缚减小,电子游离所产生的与柴油分子之间的极化静电相吸作用更强,使液粒之间的范德华力增强,表面张力增大。在相同质量分数的条件下,非金属CNT的密度较小,纳米燃油中的粒子数目较多,此外其得电子能力更强,极易使周围柴油分子极化形成静电吸引,液粒间范德华力增强,因此CNT纳米燃油的表面张力最大;同为金属氧化物,Co₃O₄的分子量大于CeO₂而表现出较低的分子极性,其与基液燃油分子间的静电作用力也较弱,因而Co3O4纳米燃油的表面张力较低。本文测量了多种纳米燃油的表面张力,探讨了不同物质种类、浓度、尺寸的纳米介质及环境温度对燃油表面张力的影响,为纳米燃油在发动机缸内的液滴破碎与着火燃烧过程提供了重要的基础数据和理论支持。     

基于Flowmaster的飞机燃油供油系统仿真研究

飞机燃油系统作为飞机不可或缺的功能和保障系统,对飞机的安全性有着重大的影响。针对飞机燃油供油系统的故障诊断问题,利用流体仿真软件Flowmaster建立了供油系统模型。仿真了飞机燃油系统增压泵供油、交输供油、重力供油的工作情况。分析了飞机燃油供油系统的故障模式,仿真了在几种典型故障模型下的工作情况,并对仿真结果进行了分析。结果表明利用Flowmaster所建立的供油系统模型能有效地仿真飞机燃油系统正常与故障工作情况,为飞机燃油系统的故障诊断打下了基础。