太阳能甲醇分解吸收-反应器研制与实验研究

利用中温太阳能为甲醇分解的吸热反应供热,可以将中温太阳能转化为合成气燃料的化学能,同时提高燃料热值和太阳能的可用性,还可以实现太阳能与化石燃料的互补.本研究提出了太阳能热化学系统的一体化设计原则,建立了综合考虑太阳能集热、反应动力学和反应器结构参数的太阳能甲醇分解反应器的理论分析模型,并首次研制了5 kW热功率的抛物槽式太阳能甲醇分解一体化实验装置.太阳能甲醇分解的实验结果表明太阳能集热器可以为甲醇分解提供200～300 ℃的反应温度,在辐照300～800 W/m2,甲醇进料量为0.5～4l/h条件下,甲醇转化率可以达到50%～95%,投射到吸收-反应器上的太阳能转换为燃料化学能的效率可以达到30%～60%,具有良好的甲醇分解和太阳能转换性能.研制的实验装置体现了一体化设计特征,同时理论分析结果与实验结果也具有很好的一致性.本文研究成果将为开拓太阳能与化石能源互补的能量系统提供理论支撑和实验数据.     

单轴拉伸下氧化锆纳米柱相变机理的分子动力学研究

通过分子动力学模拟,观察到[001]取向的四方氧化锆纳米柱在拉伸载荷下具有两个线弹性变形的应力-应变关系.这一现象是四方结构向单斜结构相变的结果 .为了进一步阐明应力-应变曲线,进行了包括晶体结构分析和原子应变计算在内的详细研究.晶格取向强烈影响塑性变形机制,即[001]和[111]取向的纳米柱在拉伸载荷下经历相变,而沿[110]取向的纳米柱导致脆性断裂.观察到显著的温度效应,随着温度从300K升高到1500K,弹性模量从573.45GPa线性降低到482.65GPa.此外,还用轻推弹性带(NEB)理论估算了相变能垒,观察到相变能垒随温度的升高而降低.这一工作将有助于加深对氧化锆的四方相到单斜相转变和纳米尺度力学行为的理解.     

H2S和H2S+的振动光谱和电子能谱计算

本文基于MOLPRO软件包使用从头算方法计算了星际分子H₂S及其阳离子H₂S⁺的势能面及光电子能谱.首先,在(U)CCSD/cc-pVQZ理论水平下获取了H₂S沿法线坐标展开的势能面,势能面直观描述了不同振动模式耦合对分子能量变化的影响,S-H键的非对称伸缩振动和面内弯曲振动共同作用使得系统势能变化范围明显变大.振动多组态相互作用方法被用来计算非谐振动频率和振动光谱,计算结果显示,倍频和组合频之间出现了强烈的费米共振,使得相应波段处的红外强度显著增强.最后,使用拉曼波函数和收缩不变Krylov子空间方法首次计算了H₂SΧ¹A₁→H₂S⁺ X²B₁的光电子能谱.此项研究有助于进一步理解星际分子的内部结构,并为实验研究及星际观测提供参考.     

NO在稀有金属钇表面的吸附行为

以往的理论在预测六方结构(HCP)金属的表面能时,计算值与实验值存在较大误差.鉴于此,本文首先用一种较为合理的方法精准地预测了稀有金属钇(Y)(0001)面的表面能,计算值(1.141 J/M²)与实验值(1.125 J/M²)吻合的很好.随后,系统研究了NO小分子在Y(0001)面不同位置(空位、桥位和端位)的吸附行为.结果表明:空位(H1)表现出了良好的吸附能力,吸附能超过了5eV,同时N-O键长伸长量超过了24%,此时,NO分子几乎平行地吸附于Y(0001)表面.所有的吸附位置的N-O分子伸长量范围为0.2?-0.42?.这种伸长量明显超过了NO在其它金属表面时的计算结果.     

太阳能溴化锂吸收式制冷循环的改进

由于单效溴化锂吸收制冷循环受太阳能热源温度较低的限制,需要采用适当的辅助手段.本文对增压辅助型太阳能溴冷机循环流程提出了在冷凝器前加装隔离阀的改进方案,该方案可降低发生压力,以充分利用低温热源,并可有效回收压缩功.通过计算分析了改进循环的热力系数COP与热源温度和循环溶液质量分数差的关系.给出了在不同的热源温度下对应的最佳发生压力的调整范围.     

梯度表面能材料上液滴运动特性实验

对水平和30°倾角放置梯度表面能材料表面上液滴运动特性进行了可视化实验,分析了液滴在梯度表面上运动速度的变化规律,以及液滴大小和表面倾角对运动速度变化的影响.实验结果表明:在梯度表面能材料上,液滴能获得较大的宏观运动速度,并可以沿30°倾角放置的梯度表面材料上自下而上的运动;大液滴较小液滴的峰值运动速度大,运动距离更远;液滴在运动过程中出现蠕动的现象.     

H2S、HCN、PH3在FeO（100）表面吸附的密度泛函理论研究

基于密度泛函理论研究了H2S、HCN、PH3 在FeO(100)表面的吸附行为,其吸附位点主要考虑四个：Fe-top(铁顶位)、O-top(氧顶位)、Hollow(空位)、Bridge(桥位)。结果表明H2S吸附在O-top吸附位点的吸附能最小,为-1.02ev,即在该位点的吸附体系最稳定。当HCN吸附在FeO(100)表面时,各吸附位点的稳定顺序为Hollow>Fe-top>Bridge>O-top。PH3 的最稳定的吸附位点与H2S的一致,为O-top吸附位点,其吸附能为-1.11ev。当H2S吸附在O-top吸附位点时,H2S与FeO（100）表面的电荷转移量最多,说明该吸附构型最稳定,而HCN吸附在FeO(100)表面,在Hollow吸附位点的电荷转移量最多,也即该吸附位点属于最稳定吸附位点。PH3与FeO（100）表面之间的电荷转移量最多的吸附位点与H2S的相同。当H2S和PH3吸附在O-top吸附位点时,吸附后的态密度曲线整体向低能级移动,峰值降低,其吸附结构变得更加稳定。而HCN吸附在Hollow位点时,吸附后的HCN态密度曲线向能量更低的区域移动,吸附体系变得更稳定。     

钪与氧空位共掺杂锐钛矿相TiO2的形成能与电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了钪(Sc)、氧空位(O_V)单/共掺杂锐钛矿相TiO₂,对晶体结构、形成能以及电子结构进行了对比分析.研究结果表明,Sc-TiO₂在富氧环境下缺陷形成能为负值,富钛环境下缺陷形成能为正值,表明Sc-TiO₂只能在富氧环境下制备;O_V-TiO₂、Sc-O_V-TiO₂在富氧或富钛环境下缺陷形成能均为负值,但富氧环境下形成能更低;O_V-TiO₂的0/1-缺陷电荷转变能级为深能级,而Sc-TiO₂的0/1-缺陷电荷转变能级则属于相对较浅能级;与纯锐钛矿相TiO₂相比,Sc-TiO₂的禁带宽度略有减小,但O_V-TiO₂、Sc-O_V-TiO₂禁带宽度变宽.     

基于密度泛函理论的CO2吸附微观机理比较研究

为探究吸附法捕获CO₂过程中的微观机理和吸附剂材料间的作用关系,基于密度泛函理论方法,综合比较了典型吸附剂包括煤基官能团、Fe、限域离子液体、Na₂CO₃、SrTiO₃与CO₂的吸附过程和差异性.根据不同计算策略,着重分析比较了吸附能、结构优化参数、吸附构型以及原子分布等参数.结果表明,化学吸附中CO₂分子与吸附面呈平行关系时通常吸附能最大;在一种材料的同类型官能团中,吸附能大小与氧原子的数量呈正相关关系;吸附过程中C-O键的伸长活化会生成一种重要的中间产物CO₂^-.提出在探寻CO₂吸附材料时可以在含氧原子较多的官能团、活性金属表面等方面进一步探究.最后对基于密度泛函理论的CO₂的吸附机理的进一步研究方向进行了展望.     

共轭高聚物双分子结构中激子电致解离的动力学研究

通过绝热动力学方法,研究了共轭高聚物双分子结构中激子对外加电场的响应.当外电场强度超过某个临界值时,激子会被解离成一对自由的电子与空穴.对于双分子结构中的激子,其临界解离电场除了受电子与电子相互作用以及电声相互作用影响之外,还受分子间相互作用的影响.由动力学演化的计算得到,激子临界解离电场强度随分子间相互作用强度的增大而呈非线性降低;随电子与电子相互作用强度的增大呈非线性减小的变化;但是,随电声耦合强度的增大却呈现出线性增大的变化.