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机器学习势及其在分子模拟中的应用综述

化工学报 2024年第4期75卷 1241-1255页

作者：刘东飞张帆刘铮卢滇楠清华大学化学工程系北京100084

分子动力学模拟已经成为化工过程和技术研发的重要工具,但经典分子动力学模拟的精度不足和从头计算分子动力学模拟的高昂计算成本,制约了分子模拟技术的广泛应用。机器学习技术的出现和发展使得基于机器学习势的分子模拟快速发展起来,... 详细信息

分子动力学模拟已经成为化工过程和技术研发的重要工具,但经典分子动力学模拟的精度不足和从头计算分子动力学模拟的高昂计算成本,制约了分子模拟技术的广泛应用。机器学习技术的出现和发展使得基于机器学习势的分子模拟快速发展起来,该方法兼具速度快与准确性高的优势,将极大地加速分子模拟技术在化工中的应用。首先回顾了机器学习势的发展历程,给出了构建机器学习势模型的原则,介绍了数据集构建、模型训练和模型迁移与应用等,分析了不同类型的机器学习势的特点和局限性,最后对机器学习势的应用前景进行了展望。

关键词：机器学习势分子模拟计算化学热力学

尿素掺杂CH_(3)NH_(3)PbI_(3)薄膜及其钙钛矿太阳能电池性能研究

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功能材料 2024年第1期55卷 1086-1091页

作者：郭小杰杜丽勇太原学院材料与化学工程系太原030032

基于一步旋涂法制备了钙钛矿太阳能电池吸光层CH_(3)NH_(3)PbI_(3)薄膜,在吸光层制备过程中添加了尿素,研究了尿素掺杂量对CH_(3)NH_(3)PbI_(3)薄膜的物相结构、微观形貌及组装钙钛矿太阳能电池的光电性能的影响,通过XRD、SEM、UV-Vis... 详细信息

基于一步旋涂法制备了钙钛矿太阳能电池吸光层CH_(3)NH_(3)PbI_(3)薄膜,在吸光层制备过程中添加了尿素,研究了尿素掺杂量对CH_(3)NH_(3)PbI_(3)薄膜的物相结构、微观形貌及组装钙钛矿太阳能电池的光电性能的影响,通过XRD、SEM、UV-Vis、PL以及J-V曲线等对样品进行了表征。结果表明,适量尿素的添加提高了CH_(3)NH_(3)PbI_(3)薄膜的结晶度,改善了取向性,使薄膜的覆盖率得到改善,孔洞和裂缝的数量减少。当尿素的掺杂量为10%(摩尔分数)时,薄膜的晶粒尺寸最为均匀,结晶性能最佳。所有CH_(3)NH_(3)PbI_(3)薄膜的吸收边都在780 nm左右,带隙宽度为1.5 eV。适量尿素的添加提高了CH_(3)NH_(3)PbI_(3)薄膜的吸光能力和发射峰的强度,随着尿素掺杂量的增加,CH_(3)NH_(3)PbI_(3)薄膜的吸光性能和发射峰强度均先增大后减小。当尿素的掺杂量为10%(摩尔分数)时,CH_(3)NH_(3)PbI_(3)薄膜的吸光性能最好,发射峰强度最高。将不同尿素掺杂量的CH_(3)NH_(3)PbI_(3)薄膜组装出30个钙钛矿太阳能电池,测试了J-V曲线,当尿素的掺杂量为10%(摩尔分数)时,电池具有最优的光电性能,其光电转换效率达到最大为20.61%。以上分析可知,尿素的最佳掺杂量为10%(摩尔分数)。

关键词：尿素 CH_(3)NH_(3)PbI_(3)薄膜钙钛矿太阳能电池光电性能

采用扭曲片内插件的管壳式换热器自动设计新方法

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化工进展 2024年第09期43卷 4824-4832页

作者：崔祎李孟原杨路李海东张奇琪常承林王彧斐中国石油大学(北京)化学工程与环境学院重庆大学化学化工学院浙江大学化学工程与生物工程学院

管壳式换热器作为应用最广泛的换热器，对其进行优化设计是一个十分重要的研究主题。现有的设计方法多数是基于启发式方法求解或调用商业求解器，其运算速度较慢且不能保证设计解的质量。本文将集合修剪算法应用于管壳式换热器的自动设... 详细信息

管壳式换热器作为应用最广泛的换热器，对其进行优化设计是一个十分重要的研究主题。现有的设计方法多数是基于启发式方法求解或调用商业求解器，其运算速度较慢且不能保证设计解的质量。本文将集合修剪算法应用于管壳式换热器的自动设计，将管外径、管长、壳程直径、管程数、扭曲片节距、扭曲片厚度等定义为离散变量后输入，程序自动输出设计结果与方案。对采用扭曲片内插件的管壳式换热器进行自动设计优化，分别以最小化换热面积、年度总费用、净现值作为优化目标进行单目标优化。对比发现集合修剪算法可以保证设计解的全局最优，同时降低优化求解时间，可在0.5～2s内给出结果。以换热面积最小化为目标函数的优化结果显示，集合修剪算法可得到更小的换热面积，比文献值减少了0.7%，同时采用强化传热可减少换热面积。热流分配在管程时，强化技术降低了7.7%的换热面积，管程侧的压降则提高了16.9%；热流分配在壳程时，则降低14.6%的换热面积，管程压降提高了98.7%。以最小化年度总费用和净现值为目标的优化结果显示，强化传热的费用低于未强化情况，热流分配在管程时费用降低13.1%，分配在壳程时则降低0.57%。此外，换热器的费用也会受到成本参数的影响。

关键词：换热器强化传热全局最优集合修剪

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微反应器内阳离子聚合研究进展

化工学报 2024年第4期75卷 1302-1316页

作者：何宇航谢丹吕阳成清华大学化学工程系化学工程联合国家重点实验室北京100084

阳离子聚合是制备高分子材料的重要方法之一。因阳离子聚合反应活性高、可控性差,采用传统的方式对其进行深入研究难度往往很大。微反应器技术因其优异的过程控制能力在阳离子聚合研究中表现出得天独厚的优势。本文介绍了微反应器内传... 详细信息

阳离子聚合是制备高分子材料的重要方法之一。因阳离子聚合反应活性高、可控性差,采用传统的方式对其进行深入研究难度往往很大。微反应器技术因其优异的过程控制能力在阳离子聚合研究中表现出得天独厚的优势。本文介绍了微反应器内传统阳离子聚合和活性阳离子聚合的研究进展,论述了微反应器对提高异丁烯、乙烯基醚类单体阳离子聚合反应可控性、反应效率以及机理研究的重要作用,探讨了阳离子聚合体系和装备理性设计的方向。

关键词：微反应器过程控制阳离子聚合活性聚合理性设计

有机液体储氢中全氢化乙基咔唑催化脱氢研究进展

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化工学报 2024年第4期75卷 1198-1208页

作者：范以薇刘威李盈盈王培霞张吉松清华大学化学工程系化学工程联合国家重点实验室北京100084

在碳达峰碳中和的背景下,能源结构转型势在必行。氢能是以非化石能源为主体的新型能源系统的重要能量载体。目前氢能的发展瓶颈在于氢气的储运。以乙基咔唑/全氢化乙基咔唑为代表的有机液体储氢技术提供了一种安全、高效的储氢方式。全... 详细信息

在碳达峰碳中和的背景下,能源结构转型势在必行。氢能是以非化石能源为主体的新型能源系统的重要能量载体。目前氢能的发展瓶颈在于氢气的储运。以乙基咔唑/全氢化乙基咔唑为代表的有机液体储氢技术提供了一种安全、高效的储氢方式。全氢化乙基咔唑脱氢温度高、催化剂稳定性差等问题是限制该技术大规模应用的主要挑战。基于此,介绍了全氢化乙基咔唑催化脱氢过程的反应机理,阐述其反应路径、反应动力学、催化反应过程;综述了目前脱氢催化剂的研究进展,对脱氢催化剂的循环性能进行总结,并归纳了失活机理;结合脱氢反应的特点提出反应器设计的挑战,并介绍目前典型的脱氢反应器。最后,针对现阶段全氢化乙基咔唑脱氢反应的潜在挑战,对该技术在储氢领域的应用进行了展望。

关键词：有机液体储氢全氢化乙基咔唑脱氢反应动力学催化剂反应器

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基于人工智能的微分散基础研究

化工学报 2024年第4期75卷 1096-1104页

作者：刘梦绮王凯骆广生清华大学化学工程系化学工程联合国家重点实验室北京100084

微分散是微化工技术的重要组成部分,其装备和过程的复杂性使得相关研究受到诸多限制,传统思想指导下微分散基础研究以“设计-实验-模型”为思路,进展缓慢。近年来,人工智能方法因其强大的识别和回归能力在化工领域备受关注,人工智能辅... 详细信息

微分散是微化工技术的重要组成部分,其装备和过程的复杂性使得相关研究受到诸多限制,传统思想指导下微分散基础研究以“设计-实验-模型”为思路,进展缓慢。近年来,人工智能方法因其强大的识别和回归能力在化工领域备受关注,人工智能辅助的微分散基础研究有利于形成微化工过程认识的新范式,促进微化工技术发展。本文介绍了人工智能方法的一般思路及其针对微分散研究的适用性,综述了人工智能技术在显微图像识别、液滴和气泡分散尺寸预测以及微分散过程控制和优化中的研究进展,对未来基于人工智能的微化工研究进行了展望。

关键词：微流体学分散模型算法人工智能

铂基氧还原催化剂:从单晶电极到拓展表面纳米材料

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化工学报 2024年第4期75卷 1256-1269页

作者：孙铭泽黄鹤来牛志强清华大学化学工程系化学工程联合国家重点实验室北京100084

开发低成本、高性能的氧还原铂基催化剂仍然是目前推动质子交换膜燃料电池(PEMFC)商业化进程的重要方向。在拓展单晶电极表面的相关研究中,活性金属铂的原子排布、应力应变、周边配位环境等因素都被认为对氧还原的性能具有重要影响。然... 详细信息

开发低成本、高性能的氧还原铂基催化剂仍然是目前推动质子交换膜燃料电池(PEMFC)商业化进程的重要方向。在拓展单晶电极表面的相关研究中,活性金属铂的原子排布、应力应变、周边配位环境等因素都被认为对氧还原的性能具有重要影响。然而,在规整表面的单晶电极上得到的经验并不能完全指导纳米催化剂的设计,这是因为纳米颗粒存在着尺寸效应带来的活性-利用率的矛盾关系。通过在纳米尺度上模拟单晶电极的性质,构造纳米薄膜材料及二维晶面可控的纳米材料,可以一定程度上实现拓展表面性质。结合本课题组的研究工作,本文总结了拓展表面催化剂用于氧还原反应的理论和实验结果,探讨了纳米催化剂的发展和目前存在的问题,并对今后的研究方向进行了展望。

关键词：氧还原燃料电池单晶电极纳米催化剂电化学氢

用于蒸汽裂解产物成分预测的集成迁移学习框架

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化工进展 2024年第5期43卷 2880-2889页

作者：郑可欣江雨欣毕可鑫赵祺铭陈少臣王冰冰任俊宇吉旭邱彤戴一阳四川大学化学工程学院四川成都610065 帝国理工化学工程学院英国伦敦SW72AZ 清华大学化学工程系北京100084

回顾了蒸汽裂解过程建模的方法,阐述了工业实际情况中面临的数据匮乏问题。面对石油化工行业大量的小数据集建模需求,充分利用历史生产数据,提出了一种集成迁移学习框架。首先,利用充足的数据在特定工况下建立了基本的深度学习模型。然... 详细信息

回顾了蒸汽裂解过程建模的方法,阐述了工业实际情况中面临的数据匮乏问题。面对石油化工行业大量的小数据集建模需求,充分利用历史生产数据,提出了一种集成迁移学习框架。首先,利用充足的数据在特定工况下建立了基本的深度学习模型。然后,利用小数据集将迁移学习技术应用于新的工况,源域的专家知识通过基于参数的方法转移到目标领域。最后,引入集成学习来整合获得的迁移学习模型,从而提高性能。在几个实际案例上进行实践,研究了该模型框架的性能。为了更好地理解模型,还进一步实施了层可迁移性分析和SHapley Additive exPlanation(SHAP)特征重要性分析。结果说明该方法训练出的模型具有良好的准确性、稳定性、计算效率和可解释性,可以满足工业需求。

关键词：模型迁移学习集成学习算法模型可解释性石油预测神经网络

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棉浆纤维素/质子型离子液体溶液的流变行为

纺织学报 2024年第5期45卷 10-18页

作者：马凯邓璐璐王学琳石国民邹光龙贵州民族大学化学工程学院贵州贵阳550025 西湖大学工学院浙江杭州310024

为实现棉浆纤维素的绿色、高效溶解,促进其高值化利用,以质子型离子液体([DBNH][Lev])为溶剂,制备了5种不同质量分数的纤维素/[DBNH][Lev]溶液;借助核磁共振技术研究了纤维素在离子液体中的溶解机制,测定了纤维素溶液在不同条件下的稳... 详细信息

为实现棉浆纤维素的绿色、高效溶解,促进其高值化利用,以质子型离子液体([DBNH][Lev])为溶剂,制备了5种不同质量分数的纤维素/[DBNH][Lev]溶液;借助核磁共振技术研究了纤维素在离子液体中的溶解机制,测定了纤维素溶液在不同条件下的稳态和动态流变行为,讨论了纤维素含量、温度和剪切速率等对均相聚合物溶液黏度的影响规律。结果表明:纤维素/[DBNH][Lev]溶液为典型的假塑性流体,对温度具有敏感性,且黏度随温度升高而降低;此外,该溶液在高频率下出现凝胶点,存在黏性流动为主的类液态向弹性形变为主的类固态转变,且温度越高转变点越向低频区移动,这为纤维素在离子液体中的流变响应提供理论基础,并对后续的纤维素加工工艺(如涂层、纺丝)提供技术指导。

关键词：棉浆纤维素质子型离子液体溶解流变行为 Cox-Merz定律黏弹性