适用于HCCI燃烧的汽油替代燃料化学动力学简化模型

建立了一个适用于由正庚烷、异辛烷、甲苯和二异丁烯组成的汽油替代燃料均质压燃着火(HCCI)燃烧过程的简化机理模型, 包含103 种组分199 个反应. 二异丁烯主要通过燃料的脱氧反应消耗掉, 生成三种同分异构体, JC₈H₁₅-A、JC₈H₁₅-B和JC₈H₁₅-D; 燃料的分解反应也是二异丁烯的另外一条主要消耗路径, 生成两种重要的C₄产物, TC₄H₉和IC₄H₇. 这些产物是CH₂O的主要来源. 甲苯掺比燃料(TRF)机理主要是基于Andrae 等建立的TRF半详细机理, 甲苯和二异丁烯子机理是通过路径分析和敏感性分析得到. 简化机理能够很好地模拟激波管里的着火延迟和HCCI发动机实验, 由此可知, 本文提出的简化机理用来模拟HCCI燃烧是可靠的.     

C1-C2燃料燃烧机理的框架简化

采用六种直接关系图类（DRG）方法对包含253个物种和1542个反应的AramcoMech 1.3机理进行简化,并通过对所得到的六种简化机理取交集,最终得到包含81个物种和497个反应的框架机理。所得81个物种框架机理的点火延迟时间最大误差与其简化方法得到的框架机理最大误差相比并没有显著增加;这表明从不同简化方法的框架机理结果取交集可以有效去除冗余物种。基于81个物种框架机理模拟的双组分混合燃料的点火延迟时间与详细机理机理结果吻合很好。同时该框架机理在不同反应器中的模拟结果验证了温度、物种浓度分布和火焰等燃烧特性。元素流动分析结果表明,81个物种框架机理精确地再现了详细机理的燃烧反应路径。保留了详细机理的所有重要反应路径和层级结构,能够很好地再现C₁-C₂燃料的各种燃烧特性。因此,基于该81个物种框架机理可作为核心机理用于发展大分子烃类或含氧燃料的燃烧机理。     

符合独立五元环规则的C100(417)Cl28形成机理的密度泛函理论研究

实验上捕获到C₁₀₀(417)Cl₂₈,但其形成机理仍不清楚。本文采用密度泛函理论(DFT)方法研究了生成C₁₀₀(417)Cl₂₈的反应机理,考虑了可能的经Stone-Wales (SW)转化、直接氯化和来自于骨架转变等反应路径。结果表明：C₁₀₀(417)Cl₂₈形成的最主要来源是通过C₁₀₂(603)骨架转变,即经历氯化、C₂失去和SW转变而来。该结果能很好解释实验结果,对富勒烯氯化物的合成提供了理论依据。     

B(C6 F5)3催化吲哚与苯乙炔的区域选择性加成

使用B（C₆F₅）₃替代稀有金属催化剂,实现了绿色、无毒、温和催化吲哚与苯乙炔的加成反应.对吲哚不同位置带有取代基的底物进行拓展,在室温条件下高产率获得了一系列双吲哚烷烃.对机理的初步探究表明,反应首先从苯乙炔被B（C₆F₅）₃活化开始,而后依次受到两分子吲哚进攻,经马氏加成得到相应产物.根据探究结果,给出了可能的反应机理.     

RP-3高温氧化初始阶段反应机理的ReaxFF MD模拟

本文采用ReaxFF MD方法对一种较新的RP-3四组分替代燃料模型的高温氧化过程进行了研究。利用作者所在课题组研发的独特分析工具VARxMD,对燃烧过程中主要物种(燃料分子、O₂、C₂H₄、·CH₃)随时间和温度的演变规律及其化学反应进行了系统分析。ReaxFF MD模拟得到的燃料和氧气消耗量、乙烯和甲基自由基的生成量与相同温度和初始压力条件下CHEMKIN的计算结果处于同一量级,同时获得了详细的物质结构信息和反应列表。进一步对模拟得到的反应机理形式进行观察后发现,模拟获得的机理形式与文献中的描述一致。对燃料分子第一步反应数量的统计发现,其类型主要为攫氢反应和分子内断裂反应,且后者占主导;燃料分子第一步反应数量的统计也定性展现了不同燃烧条件下各类反应发生的可能性。对氧元素相关的反应分析发现,氧分子和C₁-C₃小分子发生的反应所占比例较大,能在一定程度上为机理简化提供有益线索。在对反应机理分析的基础上获得了RP-3四组分替代燃料体系高温氧化过程的化学反应网络。我们认为,ReaxFF MD反应分子动力学模拟、结合VARxMD对模拟结果深入分析的方法是有潜力系统认识燃料氧化反应机理的新方法,对构建燃料的燃烧反应机理库有一定的帮助。     

基于机器学习和高通量计算筛选金属有机框架的甲烷/乙烷/丙烷分离性能

针对天然气中的甲烷、乙烷、丙烷（C₁、C₂、C₃）气体分离困难的问题，本工作采用高通量计算了137953种假设的金属有机框架（Metal-organic framework，MOF）对这三种混合气体的吸附分离吸能.为了避免水蒸气的竞争吸附，首先，筛选出31399种疏水性MOF.然后，单变量分析了这些MOF的最大孔径（LCD）、孔隙率（φ）、体积比表面积（VSA）、亨利系数（K）、吸附热（Q_st）、密度（ρ）共六种MOF结构/能量描述符与MOF对C₁、C₂、C₃的选择性、吸附量及两者权衡值（Trade-off between S_i/j and N_i，TSN）的关系，发现了吸附量和选择性“第二峰值”的存在；尤其对于C₁、C₂的分离，所有最优MOF都分布在第二峰值区间.随后采用决策树、随机森林（Random forest，RF）、支持向量机和反向传播神经网络四种机器学习算法，分别训练并预测了六种MOF描述符与性能指标的关系，结果表明RF预测效果最好.然后应用RF算法定量地分析出K、LCD和ρ三种描述符对TSN_C1、TSN_C2的相对重要性最高，而TSN_C3的是K、Q_st和ρ，根据这些描述符分别设计了吸附C₁、C₂、C₃最优MOF的决策树模型路径.最后筛选出针对C₁、C₂和C₃不同分离应用的18种最优MOF.本工作基于机器学习和高通量计算的研究思路和研究方法，第二峰值规律的发现以及最优设计路线的提出将有助于MOF在吸附分离领域的发展提供有力的指导和启示.     

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.     

UTSA-280的氨改性以及C2H4/C2H6分离性能研究

炼厂干气中回收乙烯是扩宽C₂H₄来源的有效途径,但C₂H₄和C₂H₆物理性质和分子尺寸非常接近,分离困难.金属有机骨架材料（MOFs）近年来在低碳烃分离领域展现出广阔的前景.本工作采用氨吸附改性调节UTSA-280的结构,通过一维直孔道大小的调节实现C₂H₄/C₂H₆的高效分离.改性后的UTSA-280具有独特的超微孔结构能提升C₂H₄的吸附,而完全不吸附稍大的C₂H₆,实现理想的C₂H₄/C₂H₆吸附选择性（>1000）.结果表明,改性后的UTSA-280的C₂H₄吸附量可提高至2.83 mmol/g,与未改性的材料相比增加29%,并且能阻挡C₂H₆的吸附,最终达到>1200的C₂H₄/C₂H₆选择性.蒙特卡罗分子模拟（GCMC）计算C₂H₄/C₂H₆混合气体（1：1）的吸附得出,改性后UTSA-280孔内的C₂H₄吸附相比于C₂H₆具有更多的吸附分布.通过C₂H₄/C₂H₆混合气体穿透实验测试,改性后的UTSA-280材料能展现出48 min以上的分离时间,相比于未改性的材料,分离性能提升近1倍.     

基于超分子离子晶体的湿度传感构效关系研究

相对湿度是许多领域的关键参数,环境湿度与人们的生活密切相关,因此对湿度进行测量和控制是各个领域中值得关注的问题之一. 在前期的研究中,作者制备了一种新型的超分子离子材料（SIM）,它是由基于咪唑的双阳离子（如1,10-双（3-甲基咪唑-1-基）癸烷,C₁₀(mim)₂）和电活性二阴离子（如2,2'-连氮基-双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）,ABTS）组成的,发现其对湿度具有敏感且快速的响应. 在此基础上,本文制备了6种不同碳链（C₄,C₆,C₈,C₁₀,C₁₂,C₁₄）的咪唑基化合物,发现其中3种（C₁₀,C₁₂,C₁₄）可与ABTS形成水稳定的SIM. 循环伏安法、计时电流法以及石英晶体微量天平表征了这些超分子离子材料的湿度传感性能,发现基于C12的SIM具有最佳的湿度传感性能. 同时,SEM结果显示随着碳链的增加,离子材料的厚度变薄并且形态变得不规则. 因此,作者认为疏水作用和材料比表面积均会影响湿度传感的灵敏度. 本研究为发展新的湿度响应的离子传感材料奠定了基础.     

有水条件下路易斯酸B(C6F5)3对醛酮的选择性催化还原

近年路易斯酸B（C₆F₅）₃催化的醛酮还原反应研究表明，路易斯酸B（C₆F₅）₃也可以作为一种"耐水"的催化剂在"有水"条件下进行催化反应.这些研究成果对进一步扩展受限路易斯酸碱对（FLPs）化学在水相中的应用及其发展至关重要.以硅烷作为还原剂，在路易斯酸B（C₆F₅）₃催化下成功对14种不同取代的醛酮在温和条件下实现了高效地还原成醇反应，产率可高达100%.通过核磁共振分析对反应机理进行的研究表明，在有水条件下，底物羰基氧与催化剂硼烷之间存在以水介导的相互作用，即可能存在"R¹R²C=O--H-O（-H）--B（C₆F₅）₃"的三组分络合形式.对不同路易斯碱与水及硼烷所组成的"LB--H-O（-H）--B（C₆F₅）₃"三组分复合物之间对应原子间距进行了比较研究，发现这种以水介导的相互作用对醛酮的羰基不仅具有质子化的活化作用，而且与硼烷的络合作用也更有利于硅烷作为还原剂在有水条件下使用.所报道的以硅烷作为还原剂，B（C₆F₅）₃催化的醛酮直接还原成醇反应，首次实现了FLPs在真正有水条件下的催化反应，并更进一步证明了在以硅烷作为还原剂时，体系中存在的水不仅会参与催化反应并会促使反应的进行.对有水条件下FLPs催化的醛酮还原的选择性及其催化反应机理，以及对其他反应的影响还需要更深入的研究.     

正十二烷高温机理简化及验证

由于详细化学反应机理在模拟燃烧室燃烧时,计算量极大,很难被广泛运用。为了满足工程设计要求,采用替代燃料的简化机理进行计算不失为一种行之有效的方法。本文基于误差传播的直接关系图法和敏感性分析法对正十二烷180组分1962步高温机理(温度大于1100 K)进行简化,获得40组分234步化学反应机理。在温度为1100–1650 K,压力为0.1–4 MPa条件下,采用简化机理及详细机理对不同当量比、压力下着火延迟时间进行模拟,模拟结果与实验数据吻合得较好。通过对不同压力及温度下火焰传播速度进行模拟,验证了简化机理能够正确地反映正十二烷的燃烧特性。利用C_(12)H_(26)/OH/H_2O/CO_2等重要组分随时间变化的数据,验证了简化机理能够准确描述燃烧过程反应物消耗、基团变化、生成物产生的过程,并表明该机理具有较高的模拟精度。利用该简化机理对本生灯进行数值分析,结果表明该机理能够准确地反映火焰区温度和组分浓度的变化。紧凑的正十二烷高温简化机理不仅能够正确体现其物理化学特性,而且能够用于三维数值模拟,具有较高的工程运用价值和应用前景。     

Polymeric Carbon Nitride-based Single Atom Photocatalysts for CO2 Reduction to C1 Products

Photocatalytic CO₂ reduction to C₁ fuels is considered to be an important way for alleviating increasingly serious energy crisis and environmental pollution. Due to the environment-friendly, simple preparation, easy formation of highly-stable metal-nitrogen(M-N_x) coordination bonds, and suitable band structure, polymeric carbon nitride-based single-atom catalysts(C₃N₄-based SACs) are expected to become a potential for CO₂ reduction under visible-light irradiation. In this review, we summarize the recent advancement on C₃N₄-based SACs for photocatalytic CO₂ reduction to C₁ products, including the reaction mechanism for photocatalytic CO₂ reduction to C₁ products, the structure and synthesis methods of C₃N₄-based SACs and their applications toward photocatalytic CO₂ reduction reaction(CO₂RR) for C₁ production. The current challenges and future opportunities of C₃N₄-based SACs for photoreduction of CO₂ are also discussed.     

Spectres de rotation de la molécule de chlorobenzène : II. Variétés isotopiques multisubstituées et structure géométrique précise

In order to complete the r_s structure of chlorobenzene given in a preceding paper, a variety of isotopic species of this molecule were synthesized and their microwave spectra studied. This made twenty isotopic species available, enabling the determination of the geometrical parameters by a least squares method. Fitting only differences of moments of inertia either for monosubstituted species or to multiply substituted species gave the same result. They hardly differ from the r_o values and agree with the r_s values obtained by the Kraitchman equations. The resulting error limits were reduced, however.

The following structural parameters were obtained, C₁C₂ = 1.399 Å, C₂C₃ = 1.386 Å, C₃C₄ = 1.3976 Å, C₁Cl = 1.7248 Å, C₂H₂ = 1.080 Å, C₃H₃ = 1.081 Å, C₄H₄ = 1.081 Å, C₆C₁C₂ = 120° 16, C₁C₂C₃ = 119°78, C₂C₃C₄ = 120°24, C₃C₄C₅ = 119°80, C₁C₂H₂ = 119°45, C₂C₃H₃ = 119°76.

The structure of the ring differs significantly from C₆ symmetry. The deformation can be regarded as a compression of the position C₁ while the angle of C₂H₂ bond is also changed.     

The interaction between C28 (Td) and X (X=H and F)

Hydrogen and fluorine addition reactions with C₂₈(T_d) have been investigated by the density function theory method at B3LYP/6-31G level. The interaction potential between C₂₈(T_d) and atom X (X=H and F) shows that there are three possible stable isomers of C₂₈(T_d)X (X=H and F) and the average binding energy calculations suggest that C₂₈(T_d)H₄ is the most stable hydrogen adduct among C₂₈(T_d)H_n (n=1–28). Furthermore, by comparisons of the energy between C₂₈(T_d)H and C₂₈(C_s)H we found that the former are more stable than the later, and the structural and energy analysis further indicate that C₂₈(C_s)H is only with a small distortion of C₂₈(T_d)H symmetry. In addition, the transition states, as well as reaction pathways of X transfer reactions between different key points on C₂₈(T_d) representative patch are given to explore the possible reaction mechanism.     

过渡金属离子与烷烃反应机理的理论研究──镍离子(2D)与丙烷反应中氢分子的还原消除机理

以Ni⁺与C₃H₈反应作为过渡金属离子与烷烃反应的范例体系,用B₃LYP密度泛函方法计算了[Ni,C₃,H₈]⁺基态势能面上各驻点的构型、频率和能量,结果表明,该反应的H₂分子消除需经历两个基元步骤,即Ni⁺首先插入一级或二级C-H键,然后经H转移过渡态异构化为较稳定的中间体,继而解离产生H₂分子.计算的反应热为142.28kJ/mol,与相应的实验值(127.85kJ/mol)符合较好.     

电催化CO2还原合成C2+产物的机理和材料研究进展

Over the past decades, advances in science and technology have greatly benefitted the society. However, the exploitation of fossil fuels and excessive emissions of polluting gases have disturbed the balance of the normal carbon cycle, causing serious environmental issues and energy crises. Global warming caused by heavy CO₂ emissions is driving new attempts to mitigate the increase in the concentration of atmospheric CO₂. Significant efforts have been devoted for CO₂ conversion. To date, the electroreduction of CO₂, which is highly efficient and offers a promising strategy for both storing energy and managing the global carbon balance, has attracted great attention. In addition, the electrosynthesis of value-added C₂₊ products from CO₂ addresses the need for the long-term storage of renewable energy. Therefore, developing catalysts that function under ambient conditions to produce C₂ selectively over C₁ products will increase the utility of renewable feedstocks in industrial chemistry applications. Recently, great progress has been made in the development of materials for electrocatalytic CO₂ reduction (ECR) toward C₂₊ products; however, some issues (e.g., low selectivity, low current efficiency, and poor durability) remain to be addressed. In addition, the elementary reaction mechanism of each C₂₊ product remains unclear, contributing to the blindness of catalyst design. In this regard, the development of proposed mechanisms of ECR toward C₂₊ products is summarized herein. The key to generating C₂₊ products is improving the chances of C―C coupling. Test conditions significantly influence the reaction path of the catalyst. Thus, three different paths that that are most likely to occur during ECR to C₂₊ products are proposed, including the CO, CO-COH, and CO-CO paths. In addition, typical material regulatory strategies and technical designs for ECR toward C₂₊ products (e.g. crystal facet modulation, defect engineering, size effect, confinement effects, electrolyzer design, and electrolyte pH) are introduced, focusing on their effects on the selectivity, current efficiency, and durability. The four strategies for catalyst design (crystal facet modulation, defect engineering, size effect, and confinement effect) primarily affect the selectivity of the ECR via adjustment of the adsorption of reaction intermediates. The last two strategies for technique design (electrolyzer design and electrolyte pH) contributing greatly toward improving the current efficiency than selectivity. Finally, the challenges and perspectives for ECR toward C₂₊ products and their future prospects are discussed herein. Therefore, breakthroughs in the promising field of ECR toward the generation of C₂₊ products are possible when these catalyst design strategies and mechanisms are applied and novel designs are developed.     

大黄素的电化学氧化还原机理研究

本文利用循环伏安法(CV)、红外光谱循环伏吸法(CVA)和导数循环伏吸法(DCVA)研究大黄素(Q)在乙腈溶剂中的电子转移机理.Q的还原过程中阴离子自由基Q^?-会结合中性分子Q生成二聚物Q₂^?-.Q₂^?-在更负的电位下进一步还原为Q₂^2-.当扫描范围为-0.2 ~ -2.0 V时,经过一个循环伏安过程,在扫描结束物质并没有回到反应物Q,而是Q₂^2-. Q₂^2-会继续发生电化学反应,经历两步一电子过程,分别生成Q₂^3-. 和Q₂^4-.,对应CV图中峰C₃和C₄.当扫描范围扩大至1.0~-2.0 V时,在更正的电位下,观察到两个新的氧化峰A₁和A₂,该范围内的三圈扫描结果表明,在扫描结束物质重新氧化回到Q.当扫描范围缩小至0.3 ~ -1.4 V,A2峰随着扫描圈数的增加而增大,与A2峰对应的氧化产物Q₂^?-在溶液中不断积累.A1峰对应于Q₂^?-氧化回到Q.