Co-Fe_2O_3纳米载氧体作用下CO化学链燃烧富集CO_2

制备了不同量级Co掺杂Fe2O3载氧体Co-Fe2O3,利用BET和TEM对载氧体结构进行表征。通过在不同温度下Co-Fe2O3与气体燃料CO的还原反应,考察Co-Fe2O3对CO化学链燃烧特性。结果表明,同一温度条件下,掺杂量越高,还原反应转化率越高;掺杂量不变的情况下,温度升高促使还原程度加深,缩短了载氧体完全还原转化的时间。根据TGA曲线进行了化学动力学分析,发现Co0.2Fe还原反应过程在344.7~391.0℃和414.7~472.5℃温度范围反应动力学对应扩散控制的Jander方程模型,607.6~681.5℃温度范围对应二维扩散反应模型,并分别计算出相应模型的表观活化能和频率因子。结果可为化学链燃烧技术应用提供理论指导。     

铁基凹凸棒载氧体制备及煤化学链燃烧性能研究

以Fe(NO3)3·9H2O、Fe2O3和Fe3O4为前驱体,凹凸棒(ATP)为惰性载体制备了系列Fe2O3/ATP载氧体。在流化床反应器内,以水蒸气作为气化-流化介质,900℃为还原温度,研究了载氧体与神木煤的反应活性及循环反应性能,同时考察了载氧体的抗磨损性能。实验结果表明:以Fe(NO3)3·9H2O为前驱体制备的Fe4ATP6(N)载氧体具有很高的反应活性和抗磨损能力。对其进行的10次还原/氧化循环实验表明:尾气中CO2平均含量先下降后升高,但都保持在95%以上,停留时间t95从14.8 min增加到16.1 min。SEM分析表明随着循环反应的进行载氧体表面小颗粒变成大颗粒,发生轻微烧结。     

颗粒粒度对Cu基载氧体反应性能的影响

基于化学链燃烧新流程,采用固定床反应器研究了Cu基载氧体粒度、作为活性组分的Cu粉粒度及作为惰性载体的g-Al2O3粒度对载氧体反应性能的影响. 结果表明,载氧体的还原率及氧化率随Cu粉粒度减小而增大,Cu粉平均粒度小于63 mm时,载氧体还原率和氧化率达95%和93%以上. 载氧体还原过程中有少量CH4生成,生成量随Cu粉粒度减小而减少,Cu粉平均粒度小于32 mm时低于1%;当载氧体粒度接近g-Al2O3粒度时,载氧体的性能明显降低,只有g-Al2O3粒度明显小于载氧体粒度时,g-Al2O3才能起到分散活性组分、抑制活性组分烧结的作用.     

铁基载氧体纤维素化学链解聚试验及分子模拟

为探索纤维素在铁基载氧体作用下的化学链解聚机理及过程。通过热重分析试验研究不同升温速率下纤维素的化学链燃烧特性；通过化学反应动力学计算纤维素化学链燃烧过程中的活化能并揭示其动力学机制；利用ReaxFF MD模拟综合技术从微观原子尺度阐释纤维素化学链燃烧过程微观反应网络。热分析结果表明，铁基载氧体的加入可降低纤维素化学链解聚的起始温度，其释放的晶格氧有助于促进纤维素的化学链解聚。纤维素化学链燃烧过程分为3个阶段：挥发分析出燃烧、半焦转化燃烧和焦炭燃烧阶段。反应动力学研究显示，纤维素在热转化过程中不同转化率下的活化能为220～405 kJ/mol,其中第3个阶段的反应活化能最高。ReaxFF MD模拟结果显示，纤维素化学链燃烧过程整体遵循自由基链反应理论。纤维素裂解产生的活性自由基与载氧体释放的晶格氧反应生成2-羟基丙酮等中间体，然后进一步发生自由基反应生成CO₂。最终获得了载氧体作用下纤维素化学链解聚过程中CO₂生成释放的复杂反应网络。     

不同还原性气体与Cu基载氧体的还原反应特性研究

本文通过固定床反应器探讨了Cu基载氧体与H2、CO和CH4的还原反应特性。实验结果表明,Cu基载氧体与H2、CO和CH4发生完全反应所需温度分别为300℃、225℃和650℃。因此,可通过引入重整反应将CH4预先转化为H2和CO,以降低Cu基载氧体与CH4发生还原反应过程所需温度。     

Co-Fe2O3纳米载氧体作用下CO化学链燃烧富集CO2

制备了不同量级Co掺杂Fe₂O₃载氧体Co-Fe₂O₃,利用BET和TEM对载氧体结构进行表征。通过在不同温度下Co-Fe₂O₃与气体燃料CO的还原反应,考察Co-Fe₂O₃对CO化学链燃烧特性。结果表明,同一温度条件下,掺杂量越高,还原反应转化率越高;掺杂量不变的情况下,温度升高促使还原程度加深,缩短了载氧体完全还原转化的时间。根据TGA曲线进行了化学动力学分析,发现Co_0.2Fe还原反应过程在344.7～391.0℃和414.7～472.5℃温度范围反应动力学对应扩散控制的Jander方程模型,607.6～681.5℃温度范围对应二维扩散反应模型,并分别计算出相应模型的表观活化能和频率因子。结果可为化学链燃烧技术应用提供理论指导。     

餐厨垃圾化学链气化制备合成气

利用溶胶凝胶法制备了Cu Fe2O4/ATP(凹凸棒土,attapulgite)载氧体,选取典型的淀粉类餐厨垃圾(大米和面食类厨余物)作为气化原料,在流化床反应器中对餐厨垃圾化学链气化制合成气进行了实验研究。通过考察操作温度、水蒸气流量和O/C摩尔比(载氧体释氧摩尔量与物料含碳摩尔量之比)对气化过程的影响,得到餐厨垃圾化学链气化的较优操作条件为:850℃、水蒸气流量1.0 g·min-1、O/C摩尔比0.5。在该操作条件下,合成气产量为0.822 m3·kg-1,H2和CO的平均浓度分别为45.74%和22.24%,碳转化率达到83.57%。经十次循环实验后,Cu Fe2O4/ATP载氧体晶相结构稳定,主要以Cu Fe2O4形式存在,载氧体局部轻度烧结,但仍具有优良的循环特性。     

Ag表面乙醇选择性催化氧化的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论计算对Ag (111)和Ag (211)表面乙醇催化氧化过程进行了系统性研究。研究发现原子氧物种是常温下乙醇氧化的关键中间体。在表面原子氧物种辅助下,乙醇O—H键和α-C—H键依次断裂,生成乙氧基中间体和乙醛产物(活化能(E_a)38.0 kJ/mol)。乙醛随后与表面原子氧和羟基氧物种作用,导致CCOO(在Ag(111)表面发生CCOO→C+CO_2)和CH_2COO (在Ag (211)表面发生CH_2COO→CH_2+CO_2)中间体C—C键断裂生成CO_2,该过程是速率控制步骤(Ea95.5 kJ/mol)。计算结果表明乙醇在Ag表面催化氧化过程为结构敏感反应,降低表面缺陷位数量可提高产物中乙醛选择性。     

烟煤化学链反应特性及机理分析

在固定床反应器中添加铁基载氧体Fe4Al6和铜基载氧体Cu4Al6，进行巨野(JY)烟煤化学链燃烧实验，通过气相色谱(GC)、红外光谱(FT-IR)等分析了JY煤化学链反应特性及表面官能团演变规律。结果表明，相对于Al2O3，Fe4Al6或Cu4Al6为床料时，JY煤中CO2含量分别提高了52.25%和59.16%，最大碳转化速率分别提高了8.93%和30.36%，Cu4Al6反应效果更好。添加Cu4Al6后，JY煤表面官能团演变进程加快，Cu4Al6对脂肪烃结构、芳香碳骨架和芳香族CH的转化均有明显促进作用。煤中脂肪烃?CH3和?CH2稳定性低、反应速率快，是化学链燃烧初期气相产物主要来源；芳香碳骨架和芳香族?CH稳定性高、反应活性低，反应速率较缓慢，是化学链燃烧中后期气相产物主要来源。     

NO2硝化正己烷及其理论计算

对NO₂硝化正己烷的反应进行了研究,分别考察了反应温度、摩尔比和反应时间的影响。结果表明：在反应温度为120℃、正己烷与NO₂摩尔比为1∶2、反应时间为4h的反应条件下,正己烷转化率可达85.9%。通过密度泛函理论（DFT）研究了NO₂硝化正己烷的反应机理,在B3LYP/6-311++G(3df,2pd)//B3LYP/6-31G*计算水平下精确计算了三个可能反应途径的活化能（E_a）。计算结果表明：该反应决速步骤为NO₂中O原子进攻正己烷中的H原子,其中2-硝基己烷和3-硝基己烷为主要产物,且计算结果与实验结果一致。分子几何结构、原子电荷和IR振动频率的数据表明C—H键的断裂和N—H键的形成是一个协同过程,参与硝化反应的原子C(5)、H(7)、O(22)、O(23)和N(21)的分子几何参数及其原子电荷有明显的变化。     

Reactivity of low-concentration Cu-doped modified Fe-based oxygen carrier in chemical looping: experiments and theoretical simulations

Based on thermogravimetric experiment (TGA) and density functional theory (DFT) calculations, the reaction activity and microscopic molecular reaction mechanism of Cu low-concentration doped Fe₂O₃ oxygen carrier (Cu-Fe₂O₃) and H₂ in the process of chemical looping combustion were studied. TGA results showed that the low concentration of Cu-doped reduced the apparent activation energy of Fe₂O₃ reaction with H₂ (from 83.9 kJ/mol to 72.3 kJ/mol). And improved the conversion rate and lattice oxygen release rate of Fe₂O₃ oxygen carrier, which was attributed to the introduction of Cu element. From the atom/molecular level, DFT calculations verified that the low concentration of Cu-doped altered reaction pathway of Fe₂O₃ oxygen carrier reaction with H₂. The calculation results showed that the energy barrier of Fe₂O₃ oxygen carrier reaction with H₂ decreased from 2.30 eV to 1.81 eV (Fe atom top site) and 1.68 eV (Cu atom top site), respectively. The reaction preferentially occurred at the Cu atom site, followed at Fe atom site. Furthermore, the micro-structure characteristic change of Fe₂O₃ oxygen carrier (Cu—O and Cu—Fe bonds introduced) is more favorable for the rapid lattice oxygen release in chemical looping process.     

化学链燃烧过程Fe2O3/Al2O3载氧体表面CH4反应：ReaxFF-MD模拟

借助ReaxFF-MD方法,对化学链燃烧过程Al₂O₃负载Fe₂O₃载氧体（Fe₂O₃/Al₂O₃）表面CH₄反应过程模拟,探究Al₂O₃惰性载体对Fe₂O₃-CH₄体系燃烧过程的调控机制。研究发现添加Al₂O₃惰性载体改变了化学链燃烧过程中Fe₂O₃载氧体反应性和Fe₂O₃/Al₂O₃-CH₄反应体系的热力学和动力学行为。主要是促进了Fe₂O₃载氧体表面CH₄氧化,并对CH₄反应过程、中间体、产物及其反应速率和放热量等均具有显著促进和调控作用。原因在于Al₂O₃惰性载体对Fe₂O₃活性相中晶格氧的活化作用促进了晶格氧的迁移-扩散-释放。添加惰性载体增强了Fe₂O₃载氧体在化学链燃烧过程晶格氧释放速率和释放量,有利于CH₄氧化燃烧向合成气的高效、清洁转化,强化了化学链燃烧过程,满足当前能源高效转化和碳减排目标。     

化学链燃烧过程Fe2O3/Al2O3载氧体表面CH4反应：ReaxFF-MD模拟

借助ReaxFF-MD方法,对化学链燃烧过程Al₂O₃负载Fe₂O₃载氧体（Fe₂O₃/Al₂O₃）表面CH₄反应过程模拟,探究Al₂O₃惰性载体对Fe₂O₃-CH₄体系燃烧过程的调控机制。研究发现添加Al₂O₃惰性载体改变了化学链燃烧过程中Fe₂O₃载氧体反应性和Fe₂O₃/Al₂O₃-CH₄反应体系的热力学和动力学行为。主要是促进了Fe₂O₃载氧体表面CH₄氧化,并对CH₄反应过程、中间体、产物及其反应速率和放热量等均具有显著促进和调控作用。原因在于Al₂O₃惰性载体对Fe₂O₃活性相中晶格氧的活化作用促进了晶格氧的迁移-扩散-释放。添加惰性载体增强了Fe₂O₃载氧体在化学链燃烧过程晶格氧释放速率和释放量,有利于CH₄氧化燃烧向合成气的高效、清洁转化,强化了化学链燃烧过程,满足当前能源高效转化和碳减排目标。     

化学链燃烧中H2S对NiFe2O4氧载体活性的影响机理

采用密度泛函理论方法研究H₂S与NiFe₂O₄（001）完整表面和氧缺陷表面的相互作用机理。结果表明,H₂S在NiFe₂O₄氧载体表面Ni原子位的吸附能比其在Fe原子位的吸附能大。氧缺陷的形成会使H₂S在氧载体表面金属原子位的吸附能增大,并且Ni原子位吸附H₂S的吸附能增加更为明显。因而,NiFe₂O₄氧载体表面的Ni原子位是H₂S的主要吸附位。同时采用热力学方法进一步研究含H₂S的合成气与NiFe₂O₄氧载体之间的反应,发现H₂S与氧载体的反应产物与氧载体的还原程度密切相关。由于铁氧化物的深度还原过程受到热力学限制,H₂S与NiFe₂O₄氧载体反应的主要产物为Ni₃S₂。密度泛函理论方法与热力学方法研究结果均表明H₂S倾向于与NiFe₂O₄氧载体中Ni发生相互作用,这将对NiFe₂O₄氧载体的反应性能产生不利影响。     

废弃咖啡渣化学链气化反应特性

利用溶胶-凝胶法制备了以Fe₂O₃为活性组分,天然凹凸棒土(ATP)为惰性载体,KNO₃修饰的Fe4ATP6K1铁基复合载氧体。在高温流化床中考察了反应温度、水蒸气流量和O/C摩尔比对咖啡渣化学链气化过程的影响。结果表明,与以石英砂为床料的咖啡渣气化相比,以Fe4ATP6K1载氧体为床料的咖啡渣化学链气化对应的碳转化率由71.38%提高到86.25%。咖啡渣化学链气化的较优操作条件为:反应温度900℃、水蒸气量0.23 g·min^-1、O/C摩尔比1;在此操作条件下,合成气产量达到1.30 m³·kg^-1,氢气产量达到83.79 g·kg^-1,氢气的平均浓度达到52.75%。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜-能谱(SEM-EDS)对900℃反应前后的Fe4ATP6K1进行表征,发现Fe相、K相、Si相可以发生相互作用,K以KFeSi₃O₈的形式存在于载氧体中,并且K在反应过程中有少量流失。20次氧化/还原过程中,铁基复合载氧体Fe4ATP6K1表现出较好的循环性能,碳转化率和冷煤气效率均保持在75%以上,各气体的平均浓度较稳定。     

蛋白土与硫酸铵煅烧反应产物及过程动力学

蛋白土具有良好的应用前景,但是其自然白度较低制约了其开发应用。蛋白土硫酸铵煅烧法可去除其中的显色金属氧化物,提高蛋白土的白度,同时提取其中Al₂O₃。本文采用热重-差示扫描量热（TG-DSC）、同步热分析与红外质谱（TG-FTIR-MS）联用系统,结合X射线衍射对煅烧过程的固相及气相产物进行了表征分析,明析了其化学过程。结果表明,蛋白土中的Al₂O₃和Fe₂O₃在200~350℃时反应生成（NH₄）₃（Al,Fe）（SO₄）₃,同时逸出NH₃和H₂O;350~450℃时,进一步反应转化为NH₄（Al,Fe）（SO₄）₂,同时逸出NH₃、H₂O、SO₂和O₂;450~550℃时,NH₄（Al,Fe）（SO₄）₂分解生成（Al,Fe）₂（SO₄）₃,同时逸出NH₃、H₂O、SO₂和O₂;550~750℃时（Al,Fe）₂（SO₄）₃分解生成Al₂O₃和Fe₂O₃,同时逸出SO₂和O₂。采用Kissinger微分法与Ozawa积分法分别计算出4个阶段表观活化能后取二者平均值,分别为101.74kJ/mol、104.52kJ/mol、201.40kJ/mol、232.51kJ/mol,并获得对应4个热化学反应阶段的频率因子、反应级数和动力学方程。     

LaMn1-x-yFexCoyO3-δ perovskite based oxygen carriers for chemical looping partial oxidation

LaMn_1-x-yFe_xCo_yO_3-δ perovskite-type composite oxides co-substituted with B-site Fe and Co were prepared by the sol-gel method, and used for the chemical looping partial oxidation of methane to syngas. The XRD results suggest that Fe and Co were incorporated into the lattice of LaMnO₃ and formed perovskite phase. Reactivity and stability tests show that LaMn_1/3Fe_1/3Co_1/3O_3-δ oxygen carrier has the best reaction performance. CH₄-TPR results indicate that LaMn_1/3Fe_1/3Co_1/3O_3-δ has higher methane activation and lattice oxygen migration rates than those of LaBO₃ (B=Co, Mn, Fe). CH₄-pulse reaction further confirms that the synergistic effect of B-site ion substitution can improve the surface reaction rate of LaBO₃ (B=Co, Mn, Fe). H₂-TPR results show that the lattice oxygen in LaMn_1/3Fe_1/3Co_1/3O_3-δ has moderate redox capacity, which is suitable for partial oxidation of methane.     

LaMn1-x-yFexCoyO3-δ钙钛矿载氧体用于化学链部分氧化

采用溶胶-凝胶法制备了B位Fe和Co共取代的LaMn_1-x-yFe_xCo_yO_3-δ钙钛矿型复合氧化物,并用于化学链甲烷部分氧化制合成气。X射线衍射（XRD）结果表明Fe和Co均进入了LaMnO₃的晶格形成钙钛矿晶相,活性和稳定性测试表明LaMn_1/3Fe_1/3Co_1/3O_3-δ载氧体具有最佳的化学链甲烷部分氧化性能。CH₄程序升温还原（CH₄-TPR）表征发现LaMn_1/3Fe_1/3Co_1/3O_3-δ具有比LaBO₃（B=Co, Mn, Fe）更高的甲烷活化能力和晶格氧迁移性能。甲烷恒温脉冲反应（CH₄-pulse reaction）进一步证实了B位离子的协同作用可以提高LaBO₃（B=Co, Mn, Fe）的表面反应速率。程序升温氢气还原（H₂-TPR）表明,LaMn_1/3Fe_1/3Co_1/3O_3-δ中晶格氧具有适中的氧化还原能力,适合用于化学链甲烷部分氧化。     

Mg修饰Fe/Al载氧体煤化学链制氢

目前化学链过程常用的Fe₂O₃/Al₂O₃载氧体会形成FeAl₂O₄,因热力学限制很难与水反应制氢。为了抑制FeAl₂O₄的形成,本文向Fe/Al载氧体中添加Mg,在固定床上进行煤化学链制氢（CLHG）,深入分析Mg的作用机理并探究其对实验结果的影响。XRD结果表明,Mg质量分数从1%增加到26.5%时,MgAl₂O₄特征峰增强,FeAl₂O₄特征峰逐渐消失,说明Mg减弱了Fe和Al之间的相互作用。SEM显示Mg添加后载氧体颗粒减小,耐烧结性能优异。对比不同煤/载氧体质量比的实验,质量比为0.5/15时碳转化率和产氢量最高。在不同Mg含量的载氧体中,Fe40Mg20Al40具备最好的反应性能,碳转化率和产氢量为81.75%和1.7182L/g,比Fe40Al60分别增加10.2%和58.5%。Fe40Mg20Al40经10次循环,表面仅有轻微烧结,碳转化率和产氢量均在78%和1.52L/g以上,循环性能良好。添加Mg可以有效抑制FeAl₂O₄的生成,显著增强蒸汽氧化过程的反应活性,大幅提高氢气产量,十分适用于煤化学链制氢。