First principles calculations of oxygen reduction reaction at fuel cell cathodes

The efficiency of solid oxide fuel cells (SOFC) depends critically on materials, in particular for the cathode where the oxygen reduction reaction (ORR) occurs. Typically, mixed conducting perovskite ABO₃-type materials are used for this purpose. The dominating surface terminations are (001) AO and BO₂, with the relative fractions depending on materials composition and ambient conditions.Here, results of recent large-scale first principles (ab initio) calculations for the two alternative polar (La,Sr)O and MnO₂ (001) terminations of (La,Sr)MnO₃ cathode materials are discussed. The surface oxygen vacancy concentration for the (La,Sr)O termination is more than 5 orders of magnitude smaller compared to MnO₂, which leads to drastically decreased estimated ORR rates. Thus, it is predicted for prototypical SOFC cathode materials that the BO₂ termination largely determines the ORR kinetics, although with Sr surface segregation (long-term degradation) its fraction of the total surface area decreases, which slows down cathode kinetics.     

基于A*改进算法的机械臂避障路径规划

为解决机械臂在运行时可能与工作空间中的障碍物发生碰撞,提出圆柱体包络碰撞检测法和基于A*算法的变步长分段搜索法.运用圆柱体包络碰撞检测法,将碰撞检测问题转化为计算圆柱体间的位置关系.变步长分段搜索法解决了应用传统A*算法可能出现的搜索数据量大甚至搜索死循环等问题.分别在基于OpenGL的三维仿真实验平台和实际系统中验证了该方法的有效性和可行性.     

COMPUTATION OF DILUTE PARTICULATE LAMINAR FLOW OVER A BACKWARD-FACING STEP

Particle-laden flows are calculated for a classical laminar backward- facing step problem. The particle tracks are calculated using a recently developed exponential Lagrangian tracking scheme. The behaviour of the particle-laden flow is considered for various inlet for Reynolds number, Stokes numbers and void fractions. Doping the flow with low-Stokes-number particles has the effect of increasing the inlet inertia of the flow and this increases the strength of the recirculation behind the step. High-Stokes- number particles are dominated by gravitational effects which affect the flow accordingly. Differences between the single-phase flow and the particle-laden flows are therefore dependent on the Stokes number and increase linearly with void fraction.     

级联型多电平变流器控制策略的比较和分析

介绍了阶梯波、载波相移脉宽调制和分段SPWM调制等几种级联型多电平变流器的控制策略,并对它们的优缺点进行了分析和比较,并指出了分段SPWM控制策略是另外两种方法的一种折中方案,它综合了阶梯波和载波相移PWM调制方法的优点,既可以减少开关损耗,又可以使得输出波形性能满足要求.最后给出了几种控制策略产生的输出波形的谐波频谱,验证了分段SPWM方案的可行性和分析的正确性.     

Experimental Study on Wave Characteristics of Stilling Basin with a Negative Step

Stilling basin with a negative step is an important structure in hydraulic systems, because it can avoid atomization and decrease scouring problems. Although stilling basins with a negative step have attracted much attention from researchers, few researchers have focused on the wave characteristics. In this research, an experimental study on the wave characteristics of stilling basins with a negative step was carried out. The wave height, average period, wave probability density and power spectrum along the flow direction of different stilling basins with a negative step were described based on the wave theory, and the results indicate discharge and step height have a significant effect on the wave characteristics. The relationships between the different characteristic wave heights, and the empirical formula for the relative characteristic wave height are obtained. Finally, the dimensionless standard deviation at the end of the stilling basin with a negative step is linearly related to the flow-energy ratio and the relative step height under B-jump.     

V(Ⅳ)/V(Ⅴ)电对在石墨毡与导电塑料复合电极上的反应机理

应用循环伏安、极化曲线和交流阻抗等电化学方法研究了V(Ⅳ)/V(Ⅴ)电对在石墨毡复合电极上反应的速控步骤.结果表明,V(Ⅳ)/V(Ⅴ)电对在石墨毡电极上的反应属准可逆过程,且氧化过程包含有后置化学转化步骤;该过程Tafel斜率的实验值为0.124,而理论计算的,以电化学步骤作为控制步骤的Tafel斜率约0.12,两者吻合很好,表明该氧化过程受电化学步骤控制;以等效电路拟合不同极化电位下的交流阻抗,得出该电化学反应阻抗远大于其他阻抗,意味着电化学过程可能是电极反应的控制步骤,与实验得到的极化曲线分析结果相一致.     

一步水热合成铜纳米颗粒负载二氧化钛复合纳米管及其可见光催化活性

采用一步水热法合成了Cu纳米粒子负载二氧化钛纳米管材料. 利用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)等对材料的相组成、形貌以及形成过程进行了研究. 制得的Cu-TiO₂复合纳米材料长度约为100 nm, 直径10-15 nm, 其上负载的Cu纳米粒子尺寸约为5 nm. BET比表面积测试表明实验制备的Cu-TiO₂复合纳米管的比表面积为154.67 m²·g^-1. 通过调节水热反应时间和钛前驱体种类, 研究了该复合纳米管材料的形成机制. 结果表明: 非晶态的钛源对于成功一步合成Cu-TiO₂复合纳米管至关重要. 同时, 实验中观察到铜纳米粒子的尺寸随水热反应时间延长而减小(反奥氏陈化过程), 这一现象有助于纳米粒子的可控合成.紫外-可见吸收光谱表明该复合纳米管在350-800 nm范围内有较强的吸收, 并在550-600 nm范围观察到Cu的表面等离子激元吸收带. Cu-TiO₂界面处形成的肖特基势垒有助于加快光生载流子的输运, 提高光生电子-空穴对的分离效率. 光催化实验表明Cu-TiO₂复合纳米管在可见光下具有较高的催化活性.     

Pt（111）电极上O2与OHad的吸脱附及氧还原反应动力学

研究了Pt（111）电极在0．1mol／LHClO4溶液中O2吸附与OHad脱附及氧还原反应的动力学．研究发现OHad的可逆吸脱附速率很快;在氧还原的动力学或动力学与传质混合控制区,恒电位下氧还原的电流随反应时间缓慢衰减,在转速较大,扫速较慢的情形下正向扫描过程中氧还原的电流总是明显低于逆向扫描的电流;Pt／0．1mol／LHClO4从无O2切换到O2饱和时,其开路电位迅速从0．9V增加到1．0V．结果表明,Pt（111）电极上O2解离生成OHad速率很快,ORR过程中OHad会在表面缓慢积累,氧还原反应的动力学主要由反应 OHad＋H^＋＋e→←H2O的平衡热力学决定．     

简便的两步直接固相反应法制备N、Se共掺杂碳限域的NiSe纳米晶及其储钠性能

通过简便的两步直接固相反应,即在室温下的固相自组装反应制备Ni席夫碱配合物前驱体,然后通过高温固相热解碳化和硒化反应,原位制备了N,Se共掺杂碳限域的NiSe纳米晶复合物。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)和热重分析(TGA)等表征技术分别对其物相、形貌结构、组分和含量等进行分析,并通过循环伏安、恒电流充放电和电化学阻抗谱等方法测试其电化学储钠性能。研究结果表明,复合物中NiSe粒子的平均尺寸为100 nm,被均匀限域在N,Se共掺杂的碳基体中;得益于该结构的优势,复合物作为钠离子电池负极材料时,在0.1 A·g~(-1)的电流密度下充放电循环100次后仍保持291 mAh·g~(-1)的可逆充电比容量,保持了首圈充电比容量的88%。同时,在5 A·g~(-1)的电流密度下,可逆充电比容量为197 mAh·g~(-1)。     

轨道对称性匹配:MXene基体上的单原子催化以实现优异的氮还原反应

氨作为一种可被植物直接吸收用以合成其他有机物的重要成分,在化学化工及含氮化合物的生产当中起着至关重要的作用.传统工业生产氨气采用Haber-Bosch工艺,将空气中丰富的氮气转化为氨气,但该工艺需要较高的压强和温度来促进氮气分解,因此会消耗大量能源.近年来,电催化反应发展迅速.在电催化工艺中,通过控制操作电位及电解质便可提高生产效率,降低能源消耗.基于这种策略,各种针对能源环境的催化研究应运而生,如二氧化碳还原、水分解反应等.其中,对于氮还原的催化研究尤其是电催化设计领域研究相对较少.研究发现,在电催化剂中,异构掺杂及原子尺度的调控可以极大地影响催化剂的催化活性.其中,单原子催化(SAC)因其在催化活性和催化选择性上的优势受到广泛关注.MXene是一种二维过渡金属碳化物或氮化物,其优异的化学性能和稳定的表面构型可以对单原子起到良好的锚定与支撑作用,是一种更具潜力的单原子催化基体.本文基于上述思想,利用密度泛函第一性原理等模拟软件,设计并研究了以MXene为基体的28种过渡金属单原子催化体系,计算并分析了各SAC@MXene体系对氮还原反应的催化效果,从限制电势、催化路径、反应机制等方面探索了其催化性能.并对体系进行了态密度、晶体轨道哈密顿量、差分电荷密度等电子结构分析,找到了适用于MXene体系的单原子催化设计原则.通过对限制电势的计算表明,Ni@MXene和Co@MXene体系具有很低的限制电势(-0.13和-0.17 V),说明这些体系在较低的启动电压下即可发生氮还原反应.研究发现了一种新型适用于SAC@MXene氮催化体系的酶促-远端反应机制.电子结构分析得到SAC原子与MXene基体的Ti原子在催化过程中存在一种协同作用.态密度及晶体轨道哈密顿量也显示出SAC原子与MXene基体Ti之间的一种轨道对称性匹配关系,揭示了这种协同作用对催化反应的积极作用.计算的氢析出反应(HER)结果也显示,在相同化学环境下,SAC@MXene体系氮还原反应相对于氢析出反应更易发生.