低剂量超吸水树脂溶液微滴中甲烷水合物生成动力学

高储气密度水合物的快速生成对气体水合物技术应用至关重要。将水与疏水性气相纳米二氧化硅和低剂量［0.1%~1.0%（质量）］的超吸水树脂在搅拌器中高速混合分散,制备出一种超吸水树脂改性的干水。该改性干水实质上是由高分子聚合物支撑且可自由流动的分散微滴堆。在8.0 MPa和274.2 K条件下,研究该改性微滴中甲烷水合物生成动力学特性。结果表明,松散的聚合物微滴极大地改善了液相连续水比表面积,为气体扩散至微滴表面提供了丰富的通道。水合物在聚合物微滴中快速生成,储气速率可达5.15~8.78 cm³·g^-1·min^-1,储气量高达158.0~175.0 cm³·g^-1。质量分数为0.3%的微滴表现出最快储存速率和最高储气量,且其循环水合储气过程中前6次储气量均超过120 cm³·g^-1。研究结果对水合物储运天然气技术规模化应用有一定的参考价值。     

泡沫铜强化甲烷水合物生成动力学实验研究

提高水合物生成速率和储气密度对天然气水合物技术应用非常重要。将三种孔密度的泡沫铜（CF）分别浸入十二烷基硫酸钠（SDS）溶液中构建水合储气强化体系,在高压静态反应釜中研究泡沫金属对甲烷水合物生成动力学特性。实验结果表明,泡沫铜骨架能为水合物生成提供充足的结晶点,同时可作为水合物生长过程水合热迁移的“高速公路”。甲烷水合物在SDS/CF体系中可快速生成,最大水合储气速率分布在19.24~21.04 mmol·mol^-1·min^-1之间,其中添加15 PPI泡沫铜的SDS溶液储气量最高（139 mmol·mol^-1）,且达到最大储气量90%所用时间最短（10.1 min）。在6.0~8.0 MPa压力下,相比SDS溶液,添加15 PPI泡沫铜的SDS溶液储气量提高了8.8%~35.6%,储气速率提高了4.7%~40.4%;特别在压力为5.0 MPa时,该孔密度SDS/CF体系储气量甚至比SDS溶液增加13倍,储气速率增加16倍。     

表面活性剂吸附对促进甲烷水合物生成效果的影响

基于表面活性剂固-液界面吸附理论,在无搅拌条件下研究了十二烷基硫酸钠（SDS（、脂肪醇聚乙烯醚硫酸钠（AES（、脂肪醇聚乙烯醚（AEO（3种表面活性剂在不锈钢反应釜中对甲烷水合物生成的促进效果。结果表明：水合物的生成形态与表面活性剂吸附金属表面形态有良好的对应关系;SDS与AES在金属表面的吸附作用可使水合物成核速率提高,成核位置增多。由于AEO不能在金属壁面发生吸附,导致对水合物生成促进效果降低,在浓度为300 mg·L^-1的SDS、AES和AEO溶液中,水合物储气密度及平均储气速率分别为131.4、128.3、12.3（体积比（和5.8、7.6、0.07 mmol·min^-1;逐步提高SDS溶液浓度（80~1200 mg·L^-1（和AES溶液浓度（60~1350 mg·L^-1（,水合物储气密度首先增大然后减小,储气速率线性增大。因此,合理选择表面活性剂种类及浓度,可显著促进水合物生成。     

天然烟浸滤液水合物法储甲烷动力学研究

水合物法储存天然气被公认为是一种极具潜力的高效储气技术。如何加速水合物生成,又能保证水合促进材料绿色环保,是水合固气技术实用化的关键。本文利用天然烟丝和烟末浸泡滤液在8.0 MPa和274.2 K的实验条件下进行静态水合储甲烷实验,研究甲烷水合物在烟滤液中的生成动力学特性。实验结果表明,水-烟质量比(液固比)为5～100的滤液与表面活性剂溶液性质相似,其表面张力比纯水下降36.7%～47.5%,甲烷水合物在该天然活性溶液中能快速生成。烟丝滤液中活性物含量明显低于烟末滤液,低液固比时,烟丝溶液有更高的水合储气量和储气速率;高液固比时,烟末滤液则表现出更优的水合储气性能,尤其在液固比为50时,烟末滤液中水合物储气量高达118.5 mmol·mol^-1,储气速率达2.98 mmol·mol^-1·min^-1。     

丁二酸二异辛酯磺酸钠对甲烷水合物生长动力学特性的影响

通过改变添加量（600mg/L、900mg/L、1200mg/L）、过冷度（3.5℃、5.5℃、7.5℃）以及压力（4.90MPa、6.0MPa、7.31MPa）的方式,考察了在静态体系下绿色促进剂丁二酸二异辛酯磺酸钠（AOT）对甲烷水合物生长动力学特性的影响。实验结果表明,3种浓度下AOT均能够有效缩短诱导时间,并且浓度越大,诱导时间越小（1200mg/L时为0.21h）,但储气量随着添加量的增加,先增大后减小,最终确定最佳添加量为900mg/L,水合物储气量为55.76m³/m³;另外,过冷度越大,实验压力越高,水合物成核速度越快,诱导时间越短,耗气速率越高。当过冷度为7.5℃时,诱导时间最小为0.31h,耗气速率最大为0.275mol/h,储气量最大为63.95m³/m³;但压力过大,釜内气液界面会快速生成水合物层,阻碍水合物继续生成,导致水合物储气量减少为46.84m³/m³。所以,在静态体系下,合理选择促进剂的浓度和驱动力的大小,可显著促进水合物生成。     

液化条件对多孔介质中CO2水合物生成过程的影响

为了研究液化条件对多孔介质中CO₂水合物生成过程的影响机制及其规律,在初始压力为3.9、4.2、4.5、4.8和5.1 MPa,温度为273.5、274.5和275.5 K条件下研究粒径为700μm的石英砂介质中CO₂水合物的生成过程。结果表明：在相同条件下,随着初始压力的增加,多孔介质中CO₂水合物的生成速率逐渐增大;当压力低于液化压力时,随着初始压力的增加,CO₂水合物的生成速率逐渐增大,且温度越高,水合物生成速率增加的趋势越明显;当CO₂气体压力达到液化压力时,随着初始压力的不断升高,CO₂水合物的生成速率明显增大;多孔介质中CO₂水合物的最大生成速率达到了9.297×10^-3 mol·s^-1。研究结果进一步表明：液化可有效强化多孔介质中CO₂水合物的生成过程,提高CO₂水合物的生成速率。     

容量法测量5 A分子筛静态吸附CH4、CO和CO2的研究

采用容量法分别测量CH₄、CO和CO₂在5A分子筛上的等温吸附曲线,探究吸附温度和吸附压力对CH₄、CO和CO₂吸附量的影响。实验结果表明,吸附量随着吸附压力的上升逐渐增大。设定吸附温度在30 ℃、50 ℃和70 ℃时,5A分子筛在30 ℃时对CH₄吸附量最大,为13.60 cm³·g^-1;对CO和CO₂吸附量均在50 ℃时呈现最大值,分别为17.68 cm³·g^-1 和94.38 cm³·g^-1。而吸附温度70 ℃时,对3种气体的吸附量均减小。     

表面活性剂吸附对促进甲烷水合物生成效果的影响

基于表面活性剂固-液界面吸附理论,在无搅拌条件下研究了十二烷基硫酸钠(SDS)、脂肪醇聚乙烯醚硫酸钠(AES)、脂肪醇聚乙烯醚(AEO)3种表面活性剂在不锈钢反应釜中对甲烷水合物生成的促进效果。结果表明:水合物的生成形态与表面活性剂吸附金属表面形态有良好的对应关系;SDS与AES在金属表面的吸附作用可使水合物成核速率提高,成核位置增多。由于AEO不能在金属壁面发生吸附,导致对水合物生成促进效果降低,在浓度为300 mg·L~(-1)的SDS、AES和AEO溶液中,水合物储气密度及平均储气速率分别为131.4、128.3、12.3(体积比)和5.8、7.6、0.07 mmol·min~(-1);逐步提高SDS溶液浓度(80~1200 mg·L~(-1))和AES溶液浓度(60~1350 mg·L~(-1)),水合物储气密度首先增大然后减小,储气速率线性增大。因此,合理选择表面活性剂种类及浓度,可显著促进水合物生成。     

生物质阴离子树脂的合成、表征及吸附性能

采用环氧氯丙烷、二乙烯三胺和三乙胺等对麦草秸秆进行化学改性,制备改性麦草秸秆阴离子交换树脂（改性麦秸树脂）,研究改性麦秸树脂的性能指标并重点考察其对水体中NO^-₃的吸附性能及效果。 研究结果表明,改性麦秸树脂引入了带正电荷的胺基基团,可以显著提高对NO^-₃的吸附性能;拉曼、红外光谱及zeta电位分析证明改性麦秸树脂对NO^-₃的吸附机理为离子交换;吸附过程符合Langmuir等温吸附模式;竞争吸附实验结果表明,改性麦秸树脂对不同阴离子的竞争吸附顺序为SO^2-₄>H₂PO^-₄>NO^-₃>NO^-₂,改性麦秸树脂对NO^-₃的最大吸附量为52.1 mg·g^-1,与商业树脂相当;柱吸附实验表明,改性麦秸树脂对NO^-₃的柱饱和吸附量为45.2 mg·g^-1,0.1 mol·L^-1的NaCl及HCl溶液均可有效再生改性麦秸树脂。     

盐酸交联法制备多孔碳材料及其超电容性能研究

本文通过在碳前驱体中引入质子交联剂—盐酸,并经过后续模板法制备多孔碳材料并研究其超电容性能。研究表明,盐酸交联剂的引入,显著提高多孔碳的孔结构,比表面积由635 m²·g^-1提升至830 m²·g^-1。电化学测试表明,采用盐酸交联法制备的多孔碳材料表现出更加优异的超电容性能,在硫酸电解液1 A·g^-1的电流密度下,比电容达到236 F·g^-1;同样在活性电解液在2 A·g^-1的电流密度下,比电容达到惊人的1 298 F·g^-1。     

Enhance hydrates formation with stainless steel fiber for high capacity methane storage

In order to realize efficient gas storage of hydrate, stainless steel fiber (SSF) was added to 0.03% (mass) sodium dodecyl sulfate (SDS) solution for gas storage experiment. SSF can not only improve the problem that hydration heat cannot be removed effectively in the hydration process, but also improve gas storage speed and gas storage by increasing hydrate nucleation sites. Under the experimental conditions (273.2 K, 5-9 MPa), the peaks of temperature rise in SDS + SSF systems were found to become much smaller than those in SDS systems. The maximum gas storage rate and the maximum methane uptake of SSF + SDS system reached 9.89-24.90 cm³·g^-1·min^-1 and 178.65-200.89 cm³·(g H₂O)^-1, respectively. Compared with the surfactant SDS solution without SSF, they increased by 10.47%-33.22% and 9.16%-25.36%, respectively. The effect of SSF length on gas storage performance was studied. Due to the continuous thermal conduction network, longer SSF showed a higher gas storage capacity and methane uptake rate compared with shorter SSF. At the same time, compared with other metal fillers, SSF + SDS not only had excellent gas storage performance, but also the amount of SSF (0.1 g·ml^-1) was only 7.6% of foamed aluminum, and the volume gas storage density was increased by 145.4%. The use of stainless steel fiber made the best use of the thermal conductivity of metal, reduced the amount of metal used, and improved the volume density and mass density of gas storage.     

水分子对HKUST-1甲烷吸附性能的影响

以三水合硝酸铜和均苯三甲酸为反应物、N,N’-二甲基甲酰胺为溶剂,采用溶剂热法合成金属有机骨架材料HKUST-1。将HKUST-1浸渍于等体积去离子水中,考察浸渍时间对其理化性能的影响,并通过XRD、SEM、BET和高压气体吸附表征研究了水分子对HKUST-1吸附甲烷性能的影响。结果表明,水分子易于吸附在HKUST-1中不饱和金属活性位点且对其骨架结构产生影响,浸渍72 h后,HKUST-1的BET比表面积和孔容分别从1 478.8 m2·g~(-1)和0.700 cm3·g~(-1)降至53.6 m~2·g~(-1)和0.005 cm3·g~(-1),在298 K和3.5 MPa条件下,甲烷吸附量从203.91 cm3·g~(-1)降至13.74 cm3·g~(-1)。但24 h浸渍后的HKUST-1骨架中生成一定数量的介孔,有利于较大的气体或液体分子吸附存储,值得深入研究。     

高含水油包水乳液的水合物储气性能研究

油包水乳液是近年来新兴的一种水合强化材料,具有良好的水合储气潜力,但是为了保证乳液的稳定性,通常所用的油包水乳液含水量不超过50%。然而水合物的储气量与水含量密切相关,因此高含水的油包水乳液更具有应用前景。对含水量超过50%的油包水乳液进行了水合物的储甲烷研究,考察了乳化剂用量、初始压力及搅拌速率对储气性能的影响,最后考察了乳液的循环储气能力。结果表明：含水量超过55%后,含水量的增加会造成乳液液滴的增大,储气量的降低。乳液含水量为55%,复合乳化剂Span80 / Tween80（m_Tween80∶m_Span80=0.783∶1）用量5%（质量）（以水量为基准）的乳液最适合水合储气;初始压力的增加有利于水合储气性能的提高,但压力过高会造成水合物壳的快速形成,从而降低整体储气能力;适宜的搅拌速率有利于水合物的生成,过快或过慢都会引起水合速率的下降。本实验中最佳的乳液水合储气条件为：温度274.15 K、反应釜中气水体积比10∶1、甲烷初始压力6 MPa、搅拌速率700 r/min,在此条件下,储气量可达141.42 L 气/L 水。在此条件下进行循环储气实验证明该乳液具有良好的循环利用性,四次循环中储气量均在130 L 气/L 水以上。研究结果可为天然气储运以及含烃混合气分离提供技术参考。     

纳米颗粒组装三维Co3O4微米花材料制备及储锂性能研究

通过软模板法(表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵,CTAB)结合后续空气气氛热处理制备出纳米颗粒组装三维Co₃O₄微米花负极材料。研究中采用X射线衍射分析(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、循环伏安测试(CV)、恒流充放电测试以及交流阻抗测试(EIS)对合成样品进行表征分析。研究结果显示,Co₃O₄微米花材料独特的结构优势赋予其优良的电化学性能,在100 mA·g^-1电流密度下电极具备约920 mA·h·g^-1的循环可逆比容量;在500 mA·g^-1电流密度下循环200次后的循环可逆比容量为757 mA·h·g^-1,容量几乎无衰减。大电流循环性能测试显示,所制备电极即使在2 A·g^-1电流密度下依旧具有476 mA·h·g^-1的循环可逆比容量。简易、有效且低成本化的高性能微米花结构过渡金属氧化物负极材料制备工艺将大大加速转换型电极材料的实际有效应用。     

Structured hierarchical Mn-Co mixed oxides supported on silicalite-1 foam catalyst for catalytic combustion

Silicalite-1 (S1) foam was functionalized by supporting manganese-cobalt (Mn-Co) mixed oxides to develop the structured hierarchical catalyst (Mn-Co@S1F) for catalytic combustion for the first time. The self-supporting S1 foam with hierarchical porosity was prepared via hydrothermal synthesis with polyurethane (PU) foam as the template. Subsequently, Mn-Co oxide nano sheets were uniformly grown on the surface of S1 foams under hydrothermal conditions to prepare the structured hierarchical catalyst with specific surface area of 354 m²·g^-1, micropore volume of 0.141 cm³·g^-1 and total pore volume of 0.217 cm³·g^-1, as well as a good capacity to adsorb toluene (1.7 mmol·g^-1 at p/p₀ = 0.99). Comparative catalytic combustion of toluene of over developed structured catalyst Mn-Co@S1F was performed against the control catalysts of bulk Mn-Co@S1 (i.e., the crushed Mn-Co@S1F) and unsupported Mn-Co oxides (i.e., Mn-Co). Mn-Co@S1F exhibited comparatively the best catalytic performance, that is, complete and stable toluene conversion at 248 °C over 65 h due to the synergy between Mn-Co oxides and S1 foam, which provided a large number of oxygen vacancies, high redox capacity. In addition, the hierarchical porous structure also improved the accessibility of active sites and facilitated the global mass transfer across the catalyst bed, being beneficial to the catalysis and catalyst longevity.     

Mo2N量子点@N-掺杂石墨烯复合材料的制备及储锂性能

为改善钼氮化物的电化学储锂性能，以钼酸铵、六次甲基四胺及氧化石墨烯（GO）为原料，通过水热、冷冻干燥及在H₂/N₂混合气中热处理，制备了Mo₂N量子点@氮掺杂石墨烯复合材料（Mo₂N-QDs@Ngs），并探究了GO复合量对电化学储锂性能的影响。透射电子显微镜（TEM）测试结果表明：制备的Mo₂N量子点尺寸约为2~5 nm，Mo₂N量子点均匀地分布在氮掺杂石墨烯的表面。电化学测试结果表明：当GO复合量为30%时（Mo₂N-QDs@Ngs-30），制备的复合材料具有最佳的电化学储锂性能，其在0.1 A·g^-1的电流密度下具有699 mA·h·g^-1的比容量，在2 A·g^-1下仍具有286 mA·h·g^-1的比容量。     

Preparation and lithium storage properties of Mo2N quantum dots@nitrogen-doped graphene composite

To improve the electrochemical lithium storage performance of molybdenum nitrides, Mo₂N quantum dots@nitrogen-doped graphene oxide sponge (Mo₂N-QDs@Ngs) was prepared by hydrothermal reaction, freeze-drying and calcination in H₂/N₂ mixture with ammonium molybdate ((NH₄)Mo₇O₂₄·4H₂O), hexamethylenetetramine (C₆H₁₂N₄) and graphene oxide (GO) as raw materials. The effect of GO content on the electrochemical lithium storage performance was investigated. The transmission electron microscope (TEM) results show that the size of the prepared Mo₂N quantum dots is about 2—5 nm, and the Mo₂N quantum dots are uniformly distributed on the surface of nitrogen-doped graphene. The electrochemical test results show that when the GO content is 30%, the prepared Mo₂N-QDs@Ngs-30 has the best electrochemical lithium storage performance, which has 699 mA·h·g^-1 specific capacity at the current density of 0.1 A·g^-1, and has 286 mA·h·g^-1 specific capacity even at the current density of 2 A·g^-1.     

硼高效掺杂LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料及其性能提升机制

高键能异质原子的高效掺杂是稳定高电压LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂（NCM）三元正极材料并提升其电化学性能的有效策略。借助含硼前体在二次颗粒表面富集及随后高温煅烧强化B³⁺体相扩散的策略,构建了硼离子高效掺杂NCM正极材料（NCM-B）。引入B—O键（键能：809 kJ·mol^-1）抑制了电化学反应过程中晶格氧析出,进而稳定材料的氧离子框架;此外,表面残余的高锂离子导体Li₂O-B₂O₃包覆层可以在一定程度上稳定电极-电解液界面。与改性前NCM相比,改性后的NCM-B正极材料在3.0~4.5 V电压区间的可逆比电容量可以达到193.7 mA·h·g^-1,在10 C大功率下,比电容量仍保持120 mA·h·g^-1（NCM仅为78.2 mA·h·g^-1）。1 C下连续循环100圈后,比电容量保持率从73%提升到90%。表面富集和扩散强化的思想也有望实现其他正极材料的高效掺杂。