密度泛函理论计算研究表面应力对钯催化乙炔选择性加氢活性与选择性的影响（英文）

在石油催化裂解过程中,除了生成乙烯、丙烯及丁烯等烯烃,还会产生部分炔烃.目前工业上通常采用炔烃选择性加氢转化为对应的单烯烃,以除去其中炔烃.由于产品烯烃中的炔烃等杂质含量需极低,这就对用于加氢催化剂的活性和选择性提出了很高的要求,即催化剂需要选择性吸附炔烃并加氢,而不损失其中的烯烃.经过前期大量的基础研究工作,目前工业中炔烃选择性加氢应用最广泛的催化剂是负载型钯基催化剂.然而,单独的钯金属选择性并不理想,因而对其选择性以及活性进行调控成为了当前关注的研究课题.本文采用密度泛函理论计算结合微观反应动力学模拟手段,研究了钯金属表面应力存在条件下的活性与选择性,以及形成次表层物种的可能性和形成后的活性与选择性.研究发现,改变钯金属的晶格参数与表面应力,反应物、表面反应中间体和产物的吸附能都会产生相应的变化,且吸附能与晶格参数的变化存在线性关系,晶格参数越大,吸附越强.利用表面反应过渡态能量与初始态能量之间的线性关系,相应的乙炔加氢生成乙烯的反应速率可以通过微观反应动力学模拟得到.结果显示,不同晶格参数的钯催化剂催化乙炔加氢生成乙烯的反应活性位于相应火山型曲线的强吸附侧,即减弱乙炔和氢的吸附强度可提高乙烯的生成速率.在此基础上,本文研究了不同表面应力的钯催化剂在次表面吸附不同覆盖度碳原子和氢原子的情况,发现晶格参数越大越有利于碳原子和氢原子在次表面的吸附.同时,研究发现在次表面碳掺杂的条件下,不同表面应力条件下的钯催化剂的活性均有所增强.此外,由于乙烯在所有研究的钯催化剂表面脱附比进一步加氢容易,因而乙烯都可以选择性生成.     

催化剂筛选：火山型曲线成因理论解析及其在多相催化中的应用

多相催化对于现代社会来说具有极其重要的意义,催化剂的理性设计/筛选是现代催化化学研究者的一个重要的目标。其中,火山型曲线是一个的重要工具。它指出对于一个催化反应来说,其催化活性针对关键物种吸附能来说呈一条先上升后下降的曲线,要求最佳催化剂对中间体的吸附能不能太高也不能太低。近几十年来,密度泛函理论等第一性原理计算方法的发展让许多催化剂表面反应微观物理量的计算成为了可能,这极大地拓展了火山型曲线的应用范围。 然而,对于火山型曲线根源的解释,人们却并非了解得十分清楚;一些基本科学概念的理解很多还是基于经验性的Sabatier原理：吸附太弱不利于吸附、太强不利于脱附。针对该问题的科学解析,本文进行了详细的动力学探究,试图以完全数学解析的方式回答催化反应中火山型曲线的必然存在性、产生根源及在催化活性预测中的内涵。本文采用了两步催化模型以及微动力学来进行速率方程的推导,并考虑BEP关系(基元反应的能垒与其反应焓存在线性关系)的应用,最终将整体反应速率转化为中间体吸附能相关的单值函数。基于对该函数的系列推导和分析,得到如下基本结论：(1)从数学上以一个完全的解析形式证明了催化反应中火山型曲线的存在。(2)通过对比催化反应与与之对应的气相反应,我们证明了：若无催化剂参与反应,则火山型曲线不会产生;由于催化剂表面的参与,随着催化剂吸附能力的增强,其表面会因为吸附作用而被占据毒化,导致反应速率存在一个最大值,即形成火山型曲线。从概念上讲,火山型曲线的根源是由“吸附过程引发表面活性位占据”这一自毒化效应造成的,它的存在可能体现为多相催化的基本属性。(3)数值模拟解析展示了表面反应与气相反应的区别,印证了我们的数学解析结论。同时,通过一定的简化,我们对火山型曲线中各部分的斜率进行了研究。结果发现,对于吸附决速过程,催化反应和气相反应斜率相同,其差别主要出现在脱附决速过程。在此阶段由于吸附能过大,表面被毒化,表面反应速率开始下降;而气相反应的速率依然上升。(4)表面反应速率方程的分解和简化结果表明,最佳催化剂在反应中的空活性位点覆盖度和其BEP关系的斜率存在内在关联关系(θ*opt=1–α),据此讨论了其在催化剂寻优过程中的意义。尝试解释了(a)合成氨反应中正逆反应所需最佳催化剂不同的现象;(b)合成氨或CO甲烷化反应最佳催化剂为前过渡金属、而CO/NO氧化等为后过渡金属这一典型催化现象的物理图像。最后,针对火山型曲线理论框架在实际催化剂理论筛选寻优中的应用,我们简要综述了本课题组近年来在光解水制氢Pt基助催化剂和染料敏化太阳能电池的对电极材料设计方面的理论进展。     

稀土元素对R-Y-Ni系A2B7型无镁储氢合金微观结构和电化学性能的影响

采用真空电弧熔炼及退火处理制备R-Y-Ni系A_2B_7型R0.3Y0.7Ni3.25Mn0.15Al0.1(R=Y,La,Pr,Ce,Nd,Gd,Sm)储氢合金,系统研究稀土元素R对合金微观组织与结构、储氢和电化学性能的影响。XRD和SEM-EDS分析表明,合金退火组织由Ce2Ni7型主相、PuNi3型及少量Ca Cu5型相组成,Ce2Ni7型主相的晶格常数a、c及晶胞体积V均随稀土R原子半径的减小而依次降低。该合金均具有明显的吸放氢平台,常温下最大吸氢容量为1.17%~1.48%(w/w),吸氢平台压Peq为0.037~0.194 MPa。电化学分析表明,退火合金电极的电化学活化性能优良,R=La合金具有最高的放电容量(389.2 mAh·g-1)和较佳的容量保持率(充放电循环100次后的S100=85.7%),其中合金微观组织的不均匀性及稀土元素的电化学腐蚀是影响电极循环稳定性的主要原因。合金电极的高倍率放电性能(电流密度为900 m A·g-1)HRD900=71.05%~86.94%,其电极反应动力学控制步骤主要由氢原子在合金体相中的扩散速率所控制。     

锂电池极片微结构优化及可控制备技术进展

锂离子电池是应用最广泛的电化学储能器件,目前,经济的快速发展对其提出了更高的要求。 电极微观结构对电池性能影响显著,电极微结构精细设计及可控制备成为锂离子电池领域的研究热点之一。 本文结合锂离子电池最新发展趋势,总结了锂离子电池电极反应基本过程及电极微结构的表征技术,然后概述了近几年电极微观结构的设计与优化,并分析了电极微结构的关键特征。 基于理想的电极结构,综述了电极可控制备技术的最新进展。     

BiOI上Bi单质和缺陷的协同作用:增强的光催化NO去除和转化途径

Bi OI具有独特的层状结构及较窄的带隙,是具有可见光响应的光催化剂.然而,高光生载流子复合率抑制了其光催化活性.大量研究表明,氧缺陷不但是催化剂表面最具活性的位点,而且可以通过减小禁带宽度扩大光响应范围.与此同时,氧缺陷也可以作为光致电荷陷阱,抑制电子-空穴复合,并作为电荷转移到吸附物种的吸附位点.金属的表面等离子体共振(SPR)效应为半导体材料更高效的光吸收和利用提供了一条崭新的途径,从而可以获得更好的太阳光转换和光催化效率.然而, SPR效应和由氧缺陷引起的多个中间能级协同作用还未被探究.本文研究了利用金属铋的SPR效应和引入缺陷共同提高BiOI的光催化性能.通过部分还原BiOI制备出具有较高可见光催化去除氮氧化物活性的Bi@缺陷型BiOI,研究了还原剂用量对Bi@缺陷型Bi OI光催化性能的影响.发现用2 mmol还原剂Na BH4制备的光催化剂(Bi/BiOI-2)具有最高效的可见光催化活性.XRD、XPS、SEM和TEM表征表明Bi单质沉积在Bi OI表面,整个体系由纳米片自组装为海绵状立体结构.BET比表面积增大,结合SEM推测是由纳米片的分层堆叠造成的.UV-DRS表明带隙宽度仅有1.8 eV的Bi OI具有可见光响应.EPR和态密度(DOS)结合可以证明氧缺陷及其激发多个中间能级的存在.中间能级可以促进电子在可见光下从价带到导带的转移.PL表明体系中Bi金属的SPR效应所激发的电磁场可以促进光生载流子的分离.通过DFT理论计算催化剂的电子结构,差分、电子局域函数(ELF)及电势表明Bi单质和Bi-O层间强的共价作用形成一个通道,使得热电子从较高电势的Bi单质向相对低电势的Bi OI传递, Bi单质PDOS的计算证明价带变宽归因于Bi元素轨道的贡献, Bi的SPR效应激发Bi OI的电子到更高能级并聚集在价带顶,这有利于光生载流子的分离.ESR表明提升的电荷分离和迁移率促进了羟基和超氧自由基的产生.结合表征及理论计算结果,活性的增强可归因于金属Bi和氧空位的协同效应.氧缺陷激发的中间能级促进了电荷转移, Bi金属的SPR效应使可见光吸收效率提高并且促进了光生载流子分离,这些是增强光催化性能的关键因素.此外,采用原位红外光谱法(FT-IR)对Bi/BiOI-2的NO吸附和反应过程进行了动态监测.根据中间产物分析和DFT计算结果,提出了金属Bi和氧空位协同作用提高Bi/BiOI光催化性能的机理.本研究为高性能光催化剂的设计和理解空气净化光催化反应机理提供了新的思路.     

基于响应面法的复合材料气瓶含缺陷内胆屈曲可靠性分析

具有初始缺陷的内胆会对复合材料气瓶的服役性能造成严重危害,本文基于响应面法,提出了一种复合材料气瓶含初始缺陷内胆屈曲的可靠性分析方法。建立了铝合金6061内胆的T700/环氧复合材料气瓶的三维有限元模型,实现了复合材料气瓶内胆的收缩屈曲分析。基于响应面方法,构造了复合材料气瓶极限状态方程,并假设结构中的随机变量服从高斯分布,开展了考虑几何尺寸和凹陷尺寸变化的气瓶结构可靠性分析,结果表明,在气瓶内胆加工过程中,直筒段厚度的离散性会严重影响气瓶结构的可靠性;直筒段半径、直筒段长度、封头段半径和封头段厚度在通用加工误差内对气瓶结构的可靠性影响较小;对本文定型气瓶,当内胆表面的凹陷半径超过10 mm,且深度超过2 mm时,气瓶结构的可靠性会严重降低。     

宽音频扫描加载的电子剪切散斑技术在多层粘接板结构无损检测中的应用

本文利用宽音频自动扫描加载的电子剪切散斑干涉技术对多层粘接板结构进行了时实检测，结果表明，这种方法能够同时测定板的多个位置、大小和形状各不相同缺陷，迅速准确地对多层粘接板结构质量作出判断，同时根据到试过程中记录的共振频率等各种信息，可以进一步对被测部分的振动位移及缺陷深度进行定量分析．     

综合考虑宏细观缺陷的岩体动态损伤本构模型

针对节理岩体同时含有节理、裂隙等宏观缺陷及微裂隙、微孔洞等细观缺陷的客观事实, 提出了在节理岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏细观缺陷的观点。为此, 首先对基于细观动态断裂机理的经典岩石动态损伤本构模型—TCK(Taylor-Chen-Kuszmaul)模型进行了阐述, 其次基于Lemaitre等效应变假设推导了综合考虑宏细观缺陷的复合损伤变量(张量), 进而在此基础上建立了相应的节理岩体动态损伤本构模型, 并利用该模型讨论了载荷应变率及节理条数对岩体动态力学特性的影响规律。结果表明, 在不同载荷应变率下试件在变形初始阶段是重合的, 而后随着应变的增加, 试件峰值强度、峰值应变及总应变均随载荷应变率的增加而增加; 随着节理条数的增加, 试件峰值强度逐渐降低, 但降低趋势逐渐变缓并趋于某一定值。上述研究结论与目前的理论及实验研究结果的基本规律是一致的, 说明了本模型的合理性。     

岩石微观结构CT扫描表征技术研究

岩石微观结构特征研究对非常规油气藏的演化规律、油气赋存状态、运移方式、渗流特征等基础地质问题研究具有重要的科学意义.利用CT 扫描技术对油砂、致密砂岩和页岩样品微观结构表征研究,并对比了常规测试方法与CT扫描表征技术的差异性. 对比CT扫描法和筛分法测试油砂矿物的粒度分布,两者结果十分接近,矿物颗粒大小分布总体趋势上差异小,但小于96μm的颗粒矿物分布差异性稍大.CT扫描结果显示致密砂岩样品的裂缝比较发育,还发育溶蚀孔隙. 由于测试方法和样品大小的差异性,CT扫描获得的孔隙度略大于氦气法孔隙度.微米CT 扫描可以表征页岩的层理发育情况,但无法表征内部的微观孔隙结构.与常规测试方法相比,纳米CT 扫描表征页岩中有机质和黄铁矿的含量等方面准确性好,但孔隙度测试结果偏小.纳米CT分辨率还不能完全满足表征页岩的微观孔隙结构的要求,同时有机质和孔隙的灰度值差异较小,两者区分难度大,因此纳米CT还无法完全准确表征页岩微观孔隙结构.      

不同倾角预制裂纹缺陷与运动裂纹的相互作用

为了研究运动裂纹与不同倾角预制裂纹缺陷之间的作用机制,采用数字激光动态焦散线方法对含不同倾角预制裂纹缺陷的三点弯曲梁进行冲击实验。研究结果表明,在冲击载荷作用下,预制裂纹缺陷尖端均产生了次生裂纹;当运动主裂纹与预制裂纹缺陷贯通时,次生裂纹不会立即起裂,而是经过0~10 μs的能量积蓄后,次生裂纹才起裂;运动主裂纹应力强度因子峰值与次裂纹起裂时的应力强度因子值均随预制裂纹倾角的增大而增大。