超临界水流化床内煤气化过程建模与仿真(1):数学模型及物理场分布规律

煤的超临界水气化是极具发展前景的高效洁净煤炭转化技术.本实验室发明新型超临界水流化床反应器,避免了管式反应器中出现的结焦堵塞现象,实现了高浓度煤浆的高效连续气化.本文对超临界水流化床反应器内的物理过程进行了数学建模,并对宽广的温度参数范围下反应器内温度场、流场、以及颗粒停留时间演变规律等进行数值模拟分析,揭示了反应器内部各物理场的特征,加深了对超临界水流化床内流动传热过程的认识,对反应器的运行与设计具有理论参考价值。     

Na掺杂对TiO2基材料电子结构、电子迁移特性及光吸收性质的影响

在赝势法密度泛函理论的基础上,系统研究了Na掺杂对TiO2基材料电子结构、载流子迁移和光吸收性质的影响.纯的TiO2基晶态材料呈现宽的直接带隙,其带隙宽度达2.438 eV,Na掺杂降低了TiO2基晶态材料的带隙至1.976 eV.纯的TiO2电子主要形成五个能带,而Na掺杂TiO2主要形成七个能带.TiO2材料的载流子迁移率较Na掺杂TiO2材料高,而Na掺杂TiO2材料载流子有效质量较TiO2的高.Na掺杂在TiO2材料价带中引入空穴和新的能级.Na掺杂大大提高了TiO2材料的载流子浓度,Ti中的p态电子,Na中的p态电子和O中的p态电子在导电过程中起着关键作用.Na掺杂TiO2材料的低能量光吸收限降低.     

TiO2材料(100)典型晶面的形成与电子结构的研究

在超软赝势密度泛函理论基础上计算分析了TiO2基(100)晶面低维材料的形成、电子结构和光学性质.结果表明,TiO2基(100)晶面低维材料的形成焓大于TiO2块体材料的形成焓,其稳定性比TiO2块体材料低.TiO2基(100)晶面低维材料带隙为2.760 eV,高于其体材料,其带隙为间接型.其价带顶和导带底主要分别由O p电子和Ti d电子形成,并且Ti的d电子和O的p电子在-2.5 eV处有局域作用.TiO2基(100)晶面低维材料电子局域化程度增大,Ti和O之间的离子性结合程度增强.TiO2基(100)晶面低维材料在140.8 nm处有最强的反射峰,其反射系数达23.9;,其在34.5 nm处有强的选择性吸收,并且在33.3 nm和138.9 nm处有最强的能量损失.     

ZnO(110)单层膜对O的自吸附及其电子结构的研究

基于密度泛函理论方法研究分析了一种Zn顶位吸附O的ZnO(110)-O二维膜材料的结构、结合性质、磁性质、电子结构和光吸收性质.结果表明,ZnO(110)二维膜经过O吸附之后,Zn-O键长分别增大到0.1992 nm和0.1973 nm,Zn-O链之间的距离减小到0.5628 nm,O-Zn-O键角度为108.044°,ZnO(110)膜Zn顶位对O原子的吸附为倾斜的吸附.经过Zn顶位O的吸附,ZnO(110)二维膜内原子间离子性结合性增强,吸附的O与Zn也形成偏离子性结合键,Zn顶位吸附O原子之后能量有所降低,吸附体系为反铁磁性材料.O吸附的ZnO(110)-O二维膜为间接带隙型材料,带隙宽度为0.565 eV.材料中的p电子对费米能处态密度贡献较多.ZnO(110)-O二维膜最高吸收峰位于156 nm,吸收率为67181光吸收单位,其在445 nm以上具有宽的强吸收带.     

Zn3V2O8材料的水热法制备及其光学性质研究

采用水热法制备了纳米带状结构的Zn3 V2O8多晶粉体,并对Zn3 V2 O8漫反射光谱以及发射谱、激发谱进行了分析.结果表明,在230 ～450 nm波长范围为全吸收,激发谱上有一个宽带激发与窄带激发,峰值分别位于350 nm与272 nm.在发射谱上的宽带发射与窄带发射,峰值分别在528 nm与716 nm.降解率实验结果表明了当光照时间延长到3h后,水热合成Zn3 V2O8基本已完全降解亚甲基蓝溶液.     

Ba置换对钙钛矿型氧化物CaMnO_3稳定性及电子结构的影响

采用赝势法近似密度泛函理论的方法研究了重元素Ba置换钙钛矿型氧化物CaMnO_3的稳定性及电子结构.结果表明,Ba置换引入晶格畸变,且具有各向异性.Ba置换钙钛矿型氧化物CaMnO_3呈现明显的半导体特性,且其稳定性降低.Ba置换Ca位之后,钙钛矿型氧化物CaMnO_3仍然呈间接带隙型能带结构,自旋向上和自旋向下的电子能带带隙宽度分别减小到0.659 eV和0.655 eV,且经过Ba置换之后向导体转变.Ba置换CaMnO_3晶体中的电子主要在-37.5 eV,-18 eV,-16 eV,-5 eV～0 eV,1 eV附近形成能带,能级数量在-18 eV,-16 eV,-0.7 eV三个极值点依次降低.Ba置换钙钛矿型氧化物CaMnO_3价带中和导带中的电子能级弥散性不同,表明它们具有不同的有效质量.Mn p,O p和Mn d电子对钙钛矿型氧化物CaMnO_3费米面态密度具有较大的贡献,它们决定CaMnO_3材料的导电过程.     

Ca掺杂对ZnO氧化物热学性能的影响

在密度泛函理论和线性响应的密度泛函微扰理论基础上的第一性原理计算的方法研究了Ca掺杂对纤锌矿结构氧化物ZnO热学参数和热学性能的影响。研究结果表明,Ca掺杂ZnO氧化物晶格a,b,c轴均有所增大;在计算温度区间,纯的ZnO和Ca掺杂的ZnO的晶格热容均随温度升高不断增大;Ca掺杂的ZnO具有较高的晶格热容;纯的ZnO和Ca掺杂的ZnO的晶格热容在最高温度900K分别达到16.5 Cal.mol-1K-1和31.7Cal.mol-1K-1。纯的ZnO和Ca掺杂的ZnO的德拜温度 均随温度升高不断增大,Ca掺杂的ZnO的德拜温度 均高于纯的ZnO。Ca掺杂在ZnO中引入了新的振动模式。Ca掺杂ZnO氧化物应该具有较高的晶格热导率。     

电场对氧化镍电子结构的影响

采用超软赝势电子平面波密度泛函理论的方法研究了立方相氧化镍不同外电场下的电子结构.结果表明,立方相氧化镍的晶格参数和对称性保持不变,共价键的成分增强;体系总能在外电场下增大;其间接带隙宽度在外电场下减小.费米能级附近的态密度和电子浓度在外电场下有增大的趋势.电场作用下,立方相氧化镍价带顶的电子有效质量增大,Ni的d态贡献电子能力减弱,O的p态贡献电子能力有所增强,Ni-O结合键强度增大.     

各向异性压力对ZnS晶体结构和电子性能的影响研究

基于电子平面波密度泛函理论的方法研究分析了闪锌矿结构ZnS在未受压力和沿a,b和c轴方向上受0.5 GPa小压力条件下的晶体结构和电子性质.结果表明闪锌矿ZnS在0.5 GPa的不同方向小压力作用下,晶胞参数均发生增大,表现出较为明显的压力膨胀效应.压力对ZnS晶体结构的影响是各向异性的,其对ZnS晶体c轴方向的影响最大,压力作用下Zn-S键长也均增大.ZnS体系在0.5 GPa压力下稳定性增强,其在a轴受压力作用下能量最低.在a轴,b轴和c轴方向施加相同压力之后,ZnS的带隙宽度由2.059 eV分别减小到1.683 eV,1.681 eV和1.681 eV,但是其带隙类型未发生变化.ZnS材料体系中的p态电子对费米能级附近的贡献程度最高,而s态和d态电子对费米能级处的贡献程度均较低.