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广义氢能体系和相关电化学技术

Chinese Journal of Catalysis 2024年第1期56卷 1-8页

作者：王功伟肖丽庄林武汉大学化学与分子科学学院化学电源材料与技术湖北省重点实验室湖北武汉430072 武汉大学索维奇国际分子科学研究中心湖北武汉430072 武汉大学高等研究院湖北武汉430072

电化学能源储存与转化对于可再生能源电力消纳,以及绿色低碳的新能源结构和化工体系构建具有重要意义.氢能作为其中一种典型的二次清洁能源,一直备受关注.通常认为氢能是一种以氢气(H_(2))作为能源载体的能源生产、储运和利用体系.然而... 详细信息

电化学能源储存与转化对于可再生能源电力消纳,以及绿色低碳的新能源结构和化工体系构建具有重要意义.氢能作为其中一种典型的二次清洁能源,一直备受关注.通常认为氢能是一种以氢气(H_(2))作为能源载体的能源生产、储运和利用体系.然而,氢能作为一种化学能,储存于H–H化学键之中,而非孤立的H原子.本文提出广义氢能体系,涵盖所有含H化学键(例如H–H,C–H,N–H等)形成或断裂过程伴随的能量储存或释放,即氢能载体不仅限于H_(2),亦可为其它含氢化合物(例如碳氢化合物、氮氢化合物).本文针对氢能储存于H–H(氢循环)、C–H(碳循环)和N–H(氮循环)所涉及的几种关键电化学技术研究现状进行总结.对于氢循环,目前H_(2)生产仍依赖化石资源,受限于电解成本高,采用电解水制备的H_(2)仅占很小比例.电解成本受电价、电解设备造价、电解效率等多重因素影响,目前商业化的碱性水电解器和质子膜水电解器技术均存在各自难以解决的问题,碱性膜水电解器技术能够集前二者所长,有望实现H_(2)的低成本、大规模制备,但其目前处于商业化起步阶段;燃料电池技术是H_(2)化学能高效释放利用的重要途径,质子膜燃料电池已经进行商业化,但成本较高.碱性膜燃料电池有望大幅降低成本,目前受限于高性能非贵金属催化剂和碱性聚电解质等关键材料开发.对于碳循环,鉴于很多碳氢化学品在化工体系及日常生活中的重要应用,如何通过非化石资源制备高价值碳氢化合物具有重要意义,CO_(2)电解转化是一条极具前景的技术路径.分别从CO_(2)电还原的催化路径控制和电解器件技术开发两方面进行剖析,明晰不同产物的反应路径、从电极催化剂和电解质微环境两个维度构筑高效催化界面,以及发展纯水膜电解器技术,将有助于促使CO_(2)电解转化从实验室研究走向工业化应用.对于氮循环,目前合成氨工业能耗高、碳排放量大,电化学N_(2)还原是一条具有应用前景的绿色氨合成路径,但由于N≡N键活化困难,导致转化速率极低.除了催化剂设计合成之外,在催化界面引入其它附加作用协同N_(2)活化、与其它反应物共还原或采用其它物理手段等促进N_(2)活化,将为电化学N_(2)还原合成氨带来新的机遇.归纳了相关电化学技术研发面临的主要问题.对于制H_(2)、CO_(2)还原和N_(2)还原的电解技术,目前阳极主要耦合氧析出反应,产生的O2经济价值较低,如果耦合其它高价值有机物的氧化合成,不仅提升电解转化整体经济性,还可同时能带来其它附加优点.综上,本篇观点文章认为氢能不应局限于以H_(2)为能源载体,而是可以拓展为其它含氢化合物.水可以作为廉价清洁的质子源,是氢能成为可再生电能高效储存利用的原因之一.本文剖析了几种重要的相关电化学技术的研发现状,旨在揭示研发及实际应用所面临的关键限制.未来,随着这些电化学技术的发展成熟,将有助于促进广义氢能体系的建立,从而为降低碳排放和实现能源结构转型提供重要支持.

关键词：氢能燃料电池水电解 CO_(2)电解 N_(2)电解

基于投资组合高阶矩分析的电力系统灵活性评估

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电力系统保护与控制 2024年第5期52卷 116-127页

作者：刘颖杰陈红坤田圆高鹏武汉大学电气与自动化学院湖北武汉430072

针对现有灵活性指标形式主要集中于低阶统计量,仅能反映系统灵活性的平均水平与集中程度,而忽视了灵活性的高阶特征这一问题,引入投资组合高阶矩分析理论对电力系统灵活性进行刻画,以揭示系统灵活性的调节潜力与风险。首先,通过分析投... 详细信息

针对现有灵活性指标形式主要集中于低阶统计量,仅能反映系统灵活性的平均水平与集中程度,而忽视了灵活性的高阶特征这一问题,引入投资组合高阶矩分析理论对电力系统灵活性进行刻画,以揭示系统灵活性的调节潜力与风险。首先,通过分析投资组合的均值-方差-偏度-峰度模型(mean-variance-skewness-kurtosismodel,MVSK Model),给出了灵活性单元组合的定义,基于多元Copula函数构建考虑空间相关性的灵活性单元概率模型。其次,基于灵活性单元组合的各阶矩建立灵活性评估指标,并给出基于核密度估计与蒙特卡洛模拟的指标计算方法。最后,通过FTS-213测试系统与德国某电网的历史数据对所提指标进行了测算和验证。算例表明所提指标能够反映系统灵活性调节能力的平均水平、稳定程度、潜力与风险,且能量化评估灵活性资源种类与投建地区对系统灵活性的影响,为后续的灵活性资源规划提供理论支持。

关键词：电力系统灵活性投资组合高阶矩 MVSK模型 Copula函数指标评估

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基于高精度热泵模型的电热协同独立微网设备优化配置

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电力自动化设备 2024年第7期44卷 198-204,213页

作者：孙健柯德平徐箭廖思阳孙元章武汉大学电气与自动化学院湖北武汉430072

为实现含丰富工业余热、数据中心余热、生活污水余热等低品位热源的区域协同供能,以及提高区域清洁能源利用效率,针对区域独立微网供能系统的设备优化配置策略进行研究。基于多类型低品位热源的不同温度品位特征,提出用于提升热源温度... 详细信息

为实现含丰富工业余热、数据中心余热、生活污水余热等低品位热源的区域协同供能,以及提高区域清洁能源利用效率,针对区域独立微网供能系统的设备优化配置策略进行研究。基于多类型低品位热源的不同温度品位特征,提出用于提升热源温度品位的关键电热泵设备多参数拟合模型,并生成热泵拟合模型的误差不确定性场景;考虑微网在实际运行不确定性场景下产生的供热舒适度补偿、切负荷与切光伏风险,提出基于多条件风险价值(CVaR)理论的独立微网设备容量优化配置双层模型,上层模型基于全寿命周期成本费用年值与年CVaR值优化设备配置方案,下层模型基于场景分析法优化运行成本;采用遗传算法对双层模型进行求解。算例结果证明:考虑热泵拟合模型误差有效降低了系统运行风险,且低品位热源的回收利用具有较大经济性潜力。

关键词：微网低品位热源热泵不确定性场景条件风险价值设备配置双层模型

亚硝基苯参与的电化学串联环化反应构建喹啉/吡咯

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有机化学 2024年第3期44卷 1021-1030页

作者：杨帆方婷杨桂春高梦湖北大学化学化工学院、有机功能分子合成与应用教育部重点实验室武汉430062 武汉大学化学与分子科学学院武汉430072

报道了一种多取代喹啉/吡咯杂环化合物的电化学合成新方法.反应以亚硝基苯和贫电子内炔为起始物,在无需额外金属催化剂、室温条件下,通过阴极单电子还原的策略,选择性地还原亚硝基苯产生亚硝基自由基,随后与炔烃进行串联环化反应,绿色... 详细信息

报道了一种多取代喹啉/吡咯杂环化合物的电化学合成新方法.反应以亚硝基苯和贫电子内炔为起始物,在无需额外金属催化剂、室温条件下,通过阴极单电子还原的策略,选择性地还原亚硝基苯产生亚硝基自由基,随后与炔烃进行串联环化反应,绿色、高效地合成了一系列具有高附加值的多取代喹啉/吡咯杂环化合物.

关键词：电化学合成串联环化亚硝基苯

模块化三相光伏逆变器及其分布式自适应升压控制策略

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太阳能学报 2024年第3期45卷 533-541页

作者：葛晓露潘尚智党兴华宫金武查晓明武汉大学电气与自动化学院武汉430072

针对现阶段级联H桥二倍频电压纹波和功率失配所带来的一系列问题,提出一种基于四端口LLC的模块化三相光伏逆变器拓扑结构,可从根本上解决相间功率失配的问题,同时该拓扑能够抑制系统直流母线电压上的二倍频电压纹波。总结分析相内功率... 详细信息

针对现阶段级联H桥二倍频电压纹波和功率失配所带来的一系列问题,提出一种基于四端口LLC的模块化三相光伏逆变器拓扑结构,可从根本上解决相间功率失配的问题,同时该拓扑能够抑制系统直流母线电压上的二倍频电压纹波。总结分析相内功率失配问题形成的本质原因,并提出一种分布式自适应升压控制策略,以提高系统应对相内功率失配的能力,扩展系统的稳定运行范围。分布式控制架构可减少各模块间的信息交互、降低控制系统的复杂性。仿真和实验验证了所提拓扑结构及控制策略的有效性。

关键词：光伏逆变器级联H桥分布式控制功率失配

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CS-PAA/Zn复合网络水凝胶的制备与性能

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精细化工 2024年

作者：金泽天程青毛黎罗立新武汉大学化学与分子科学学院

以壳聚糖(CS)和丙烯酸(AA)为原料、Zn2+为配位离子，采用紫外光照法制备了复合网络水凝胶CS-聚丙烯酸(PAA)/Zn2+。通过FTIR、XRD、SEM对样品进行了表征，考察了AA与CS物质的量比、Zn2+溶液加入量对CS-PAA/Zn2+溶胀能力、拉伸性能、细胞... 详细信息

以壳聚糖(CS)和丙烯酸(AA)为原料、Zn2+为配位离子，采用紫外光照法制备了复合网络水凝胶CS-聚丙烯酸(PAA)/Zn2+。通过FTIR、XRD、SEM对样品进行了表征，考察了AA与CS物质的量比、Zn2+溶液加入量对CS-PAA/Zn2+溶胀能力、拉伸性能、细胞活性和抗菌性能的影响。结果表明，CS-PAA/Zn2+是以CS链为主链，—NH2为第一位点交联较短的PAA短链，减少了PAA的生成，形成第一网络；PAA短链上的—COOH为第二位点，利用Zn2+的动态金属配位作用，形成第二网络。CS-PAA/Zn2+存在较均匀、平整的外侧结构和富有管道空间及孔隙的内部结构；当使用1 g CS为原料、n(AA)∶n(CS上的—NH2)＝1∶1、0.01 mol/L的Zn2+溶液加入量为4.0 mL时，制备的CS-PAA/Zn2+溶胀能力和拉伸能力最强，在pH＝1的溶液中，最大溶胀度87.2，断裂伸长率331.265%，同时保持了较好的细胞(MDA-MB-231细胞)活性与抗菌(大肠杆菌)性能。且凝胶细胞毒性低，细胞增殖率达到509%，具有良好的抗菌性能，添加Zn2+后抑菌圈直径达到5 mm。

关键词：壳聚糖水凝胶复合网络伤口敷料低毒性功能材料

基于卷积注意力机制的阀门内漏声发射识别方法

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振动与冲击 2024年第9期43卷 105-114页

作者：黄鑫屈文忠肖黎武汉大学工程力学系武汉430072

阀门结构作为核电厂的关键设备部件之一,因长期处于高温高压环境下,其闸板或阀瓣易发生热变形或磨损导致密封不良,进而引发内漏事故。实时在线识别阀门的内漏状态,对提升核电机组热效率、提高阀门可靠性具有重要意义。因实际工业现场的... 详细信息

阀门结构作为核电厂的关键设备部件之一,因长期处于高温高压环境下,其闸板或阀瓣易发生热变形或磨损导致密封不良,进而引发内漏事故。实时在线识别阀门的内漏状态,对提升核电机组热效率、提高阀门可靠性具有重要意义。因实际工业现场的基底噪声极易掩盖阀门内漏的声发射信号,进而造成阀门内漏状态的误判。为实现阀门内漏状态的快速准确识别,搭建了阀门内漏检测试验台架,开发了基于声发射方法的阀门内漏检测分析系统,将卷积注意力机制引入卷积神经网络中,实现高效快速地识别阀门内漏状态。结果表明,基于阀门内漏的声发射信号频域数据,利用卷积注意力机制神经网络能有效准确地识别阀门内漏状态,在内漏率为26 L/h时,识别准确率高达98%,并且具有较好的可靠性和鲁棒性。

关键词：阀门结构内漏声发射卷积注意力模块卷积神经网络

介孔碳载体缓解碱性聚电解质燃料电池阳极水淹

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Chinese Journal of Catalysis 2024年第2期57卷 51-58页

作者：江文涌葛创新王功伟陆君涛肖丽庄林武汉大学化学与分子科学学院化学电源材料与技术湖北省重点实验室湖北武汉430072 武汉大学索维奇分子科学中心湖北武汉430072 武汉大学高等研究院湖北武汉430072

碱性聚电解质燃料电池(APEFCs)相较于目前研究最多的质子交换膜燃料电池(PEMFCs),其优势体现在阴/阳两极均可使用价格低廉的非贵金属催化剂,有望降低燃料电池的使用成本.APEFCs的研究在过去20年飞速发展,主要集中在高效碱性聚电解质(APE... 详细信息

碱性聚电解质燃料电池(APEFCs)相较于目前研究最多的质子交换膜燃料电池(PEMFCs),其优势体现在阴/阳两极均可使用价格低廉的非贵金属催化剂,有望降低燃料电池的使用成本.APEFCs的研究在过去20年飞速发展,主要集中在高效碱性聚电解质(APE)隔膜和阴/阳极催化剂等关键材料的研发.目前,APEFCs的性能已接近于PEMFCs,针对其研究也逐渐从关键材料的研发扩展到电池的稳定性和水管理等更深层次问题.相较于PEMFCs,APEFCs的水管理问题更为复杂.每当阳极产生4个水分子,阴极会消耗2个水分子,容易导致阴极缺水和阳极水淹,进而影响电池的性能和稳定性.对APEFCs水管理的优化将是实现电池性能和稳定性突破的重要方向.本文主要研究碳载体对APEFCs水管理的影响,合成了一系列介孔碳负载的Ru催化剂(Ru/MCP-x,x为MCP的孔径,x=30,50,100 nm),并以Ru/XC72催化剂为对照.扫描电镜和N2吸附-脱附结果表明,介孔碳载体具有三维贯通的孔结构,而XC72为实心碳颗粒.溶液电化学测试结果表明,不同催化剂在0.1 mol/L的KOH溶液中的氢氧化反应(HOR)活性相当.以Ru/MCP-x和Ru/XC72为阳极催化剂进行电池装配(记为Ru/MCP-x电池和Ru/XC72电池),结果表明,当使用高进气流量(1000 mL/min)时,Ru/MCP-x电池和Ru/XC72电池性能接近;当使用更接近实际工况的低进气流量(200 mL/min)时,所有电池性能均有所下降,且降幅存在明显差距.其中,Ru/MCP-50电池和Ru/MCP-100电池的降幅分别为36%和35%,而Ru/MCP-30电池和Ru/XC72电池的降幅分别为43%和72%.通过在低进气流量下改变进气湿度,结果发现,Ru/MCP-30电池和Ru/XC72电池性能大幅下降的原因是阳极发生水淹.弛豫时间分布(DRT)方法可以将不同弛豫时间的极化过程在时域中分离开来,从而可以分辨各极化过程对电池性能的影响.利用电化学交流阻抗(EIS)技术结合DRT方法进一步分析各电池在不同电流密度下的阻抗行为,DRT结果表明,在低进气流量下Ru/XC72电池的传质极化电阻显著高于Ru/MCP-x电池,说明阳极水淹导致了Ru/XC72电池的气体传质受阻,因而电池性能大幅下降.当MCP孔径增加至50和100 nm时,传质极化电阻在不同电流密度下始终处于较低水平,电池未发生明显水淹.这说明孔径的增加有效地缓解了低进气流量下阳极的水淹问题,从而保持较高的电池性能.综上,本文利用EIS-DRT方法比较了不同阳极碳载体对APEFCs性能和气体传质极化电阻的影响,表明介孔碳载体有利于缓解APEFCs中的阳极水淹问题,具有作为阳极载体的潜力.

关键词：钌介孔碳碱性聚电解质燃料电池水淹弛豫时间分布

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长余辉纳米粒子的合成及其生物成像应用

分析测试学报 2024年第1期43卷 32-43页

作者：赵敏隗予荣杨雁冰袁荃武汉大学化学与分子科学学院湖北武汉430072

长余辉发光是一种在激发停止后产生持久余辉发光的特殊光学现象,这种现象在防伪、信息或数据存储、光催化、传感和生物成像等领域中呈现出巨大的前景。长余辉纳米粒子(PLNPs)无需原位激发,能够减少组织的自发荧光和光散射干扰,被广泛用... 详细信息

长余辉发光是一种在激发停止后产生持久余辉发光的特殊光学现象,这种现象在防伪、信息或数据存储、光催化、传感和生物成像等领域中呈现出巨大的前景。长余辉纳米粒子(PLNPs)无需原位激发,能够减少组织的自发荧光和光散射干扰,被广泛用于生物成像领域。此外,发光性能可调节,且具有X射线激发、近红外区域长寿命发光或多模式成像特征的长余辉纳米探针能够应用于深层组织生物成像,为细胞或组织提供更为丰富的成像信息。该综述总结了近年来PLNPs的合成方法及其在生物成像应用中的最新研究进展,重点介绍了PLNPs在指纹成像、细胞和活体成像等方面的应用,同时还讨论了PLNPs在生物成像领域面临的挑战和未来的发展趋势。

关键词：长余辉纳米粒子指纹成像细胞成像活体成像