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N-杂环储氢载体的储放氢性能

化工进展 2024年

作者：李培雅杨福胜王斌方涛西安交通大学化工学院陕西能源化工过程强化重点实验室新能源系统与装备工程研究中心陕西氢易能源科技有限公司

N-杂环有机物因其较低的脱氢反应焓而被认为是最具潜力的有机液态储氢载体。本研究基于五种常见N-杂环储氢载体，使用商业催化剂考察各自的储放氢性能：商业Ru/Al2O3催化剂被用于评估贫氢-N-杂环储氢载体的储氢性能，而商业Pd/Al2O3催... 详细信息

N-杂环有机物因其较低的脱氢反应焓而被认为是最具潜力的有机液态储氢载体。本研究基于五种常见N-杂环储氢载体，使用商业催化剂考察各自的储放氢性能：商业Ru/Al2O3催化剂被用于评估贫氢-N-杂环储氢载体的储氢性能，而商业Pd/Al2O3催化剂被用于评价富氢-N-杂环储氢载体的放氢性能。在 180 ℃反应 6 小时的脱氢过程中，十二氢-N-乙基咔唑、八氢吲哚和八氢-N-甲基吲哚的转化率分别为 96.54%、61.98% 和 75.11%，脱氢率分别为 79.88%、30.15% 和 54.47%；200 ℃ 反应 6 小时后，十氢喹啉和十氢-2-甲基喹啉的转化率分别为 4.92% 和 44.42%，脱氢率为 3.22% 和 35.35%。结果表明，N-乙基咔唑体系在放氢效率方面表现优异，而N-甲基吲哚体系储放氢活性均表现良好，且其所有物料在常温下均为液态，具有实际应用优势。喹啉体系储氢密度高，但其储放氢条件较为苛刻，仍需进一步研究优化。本研究结果为N-杂环储氢载体的选择提供了可参考的依据和储放氢性能评价方法。

关键词： N-杂环有机液态储氢载体加氢脱氢氢钯氧化铝催化剂

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关于氢在有机液态储氢载体中的溶解度

化工进展 2024年

作者：石秦川王施媛李培雅路书涵王波王家慧杨福胜王斌杨生春方涛陕西能源化工过程强化重点实验室新能源系统与装备工程研究中心西安交通大学化工学院陕西氢易能源科技有限公司物理学院西安交通大学

氢能是实现双碳目标的重要支撑，而有机液态储氢载体（liquid organic hydrogen carriers，LOHCs）技术是发展氢能的重要研究内容，芳杂环储氢载体是目前研究的热点。迄今，国内外研究对于加氢过程效率低的问题尚缺乏深入的研究，为了... 详细信息

氢能是实现双碳目标的重要支撑，而有机液态储氢载体（liquid organic hydrogen carriers，LOHCs）技术是发展氢能的重要研究内容，芳杂环储氢载体是目前研究的热点。迄今，国内外研究对于加氢过程效率低的问题尚缺乏深入的研究，为了完成加氢过程的科学设计与优化，储氢体系相关的溶解行为与相平衡研究不可或缺。LOHC加氢反应涉及气液固三相体系的物理溶解-化学反应串联过程，加氢所需氢气来自液体中溶解的氢，而由于氢气在液相中的溶解度与相平衡数据的缺失，现有的LOHC加氢反应动力学计算并不准确，这需要氢气在不同LOHCs中的溶解度数据修正。本文对氢气在有机液体中溶解度的研究现状进行了阐述，涉及单一氢气的溶解度和混合气体在有机液体中的溶解度。详细描述了研究氢气溶解度时所采用的实验方法的种类及优缺点，依据实验方法的不同搭建了实验装置，对数据的关联模型及预测模型进行了讨论。

关键词：溶解度相平衡有机液态储氢载体氢气加氢反应

化学链重整反应中含氧空位α-Fe_(2)O_(3)(001)表面CO反应行为的密度泛函理论研究

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Chinese Journal of Chemical Physics 2024年第1期37卷 116-124,I0112-I0116,I0119页

作者：张慧欣黄正清班涛苏雪杨伯伦常春然西安交通大学化学工程与技术学院陕西省能源化工过程强化重点实验室西安710049 榆林学院化学与化工学院陕西省低变质煤洁净利用重点实验室榆林719000

化学链甲烷重整是利用甲烷制备合成气(CO和H_(2))具有广阔前景的方法之一,其中CO在氧载体表面上的进一步反应对CO选择性起主要决定作用.本文采用密度泛函理论系统地研究了α-Fe_(2)O_(3)(001)氧空位对CO脱附、CO氧化和CO解离的影响.计... 详细信息

化学链甲烷重整是利用甲烷制备合成气(CO和H_(2))具有广阔前景的方法之一,其中CO在氧载体表面上的进一步反应对CO选择性起主要决定作用.本文采用密度泛函理论系统地研究了α-Fe_(2)O_(3)(001)氧空位对CO脱附、CO氧化和CO解离的影响.计算结果表明,增加氧空位浓度会导致Fe原子中的电子局域化增强,从而削弱Fe位点上CO的脱附能力.此外,氧空位浓度从1/12 ML增加到1/6 ML会导致CO氧化能垒从0.64 eV增加到1.10 eV.增加氧空位浓度虽有利于CO解离,但由于解离反应的高能垒(大于3.00 eV),CO的解离仍然很难发生.综合考虑三条反应途径,CO脱附可以在高于900K的反应温度下自发进行.增加氧空位浓度可以提高合成气选择性,因为在高氧空位浓度(1/6 ML)下,相比于CO脱附,CO氧化的竞争性减弱.这项研究揭示了在Fe_(2)O_(3)的还原程度增加时,化学链甲烷重整中CO选择性增强的微观机制.

关键词：化学链重整甲烷 Fe_(2)O_(3) 氧空位密度泛函理论

2D MoS_(2)及其异质结构在生物传感领域的应用

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应用化工 2024年第5期53卷 1129-1133,1137页

作者：高燕王斌姜召方涛西安交通大学新能源系统工程与装备工程研究中心、陕西省能源化工过程强化重点实验室陕西西安710049 陕西氢易能源科技有限公司陕西西安712000

简要介绍了多相态二维(2D)MoS_(2)纳米材料的结构、制备和相态调控策略。MoS_(2)具有可调节的电子转移和光学特性,可以通过制备过程参数的调制对产物相态调控。不同相态的MoS_(2)性质差异巨大,因而在传感器上的应用不同。详细介绍了基... 详细信息

简要介绍了多相态二维(2D)MoS_(2)纳米材料的结构、制备和相态调控策略。MoS_(2)具有可调节的电子转移和光学特性,可以通过制备过程参数的调制对产物相态调控。不同相态的MoS_(2)性质差异巨大,因而在传感器上的应用不同。详细介绍了基于不同相态MoS_(2)及其异质结构的2D纳米材料在生物传感领域的代表性应用。重点剖析了不同相态MoS_(2)在不同类型传感器中所起的作用。生物传感技术的发展对于疾病的诊断和临床治疗,以及环境和食品安全监测等领域都至关重要。希望可以为高性能MoS_(2)基生物传感器的研发和构建提供参考。

关键词： 2D材料 MoS_(2) 相态调控异质结构生物传感器

机器学习驱动的生物质热解模型建立及挥发分化学链重整制氢工艺优化

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化工学报 2024年

作者：刘根孙仲顺张博张榕江吴志强杨伯伦西安交通大学化学工程与技术学院陕西省能源化工过程强化重点实验室

针对生物质气化制备绿氢过程中气化效率低、氢气选择性差的挑战，提出了一种热解串联挥发分化学链重整制氢的解耦工艺。在对上述过程理论分析时发现，热解挥发分的产量和组成与生物质性质和热解操作条件之间的复杂关系难以通过传统模型... 详细信息

针对生物质气化制备绿氢过程中气化效率低、氢气选择性差的挑战，提出了一种热解串联挥发分化学链重整制氢的解耦工艺。在对上述过程理论分析时发现，热解挥发分的产量和组成与生物质性质和热解操作条件之间的复杂关系难以通过传统模型化方法被准确关联，从而制约了上述工艺的精确分析调控。因此本论文基于机器学习方法建立了生物质快速热解过程的产物分布预测的神经网络模型，并结合粒子群优化算法确定最佳热解条件，使热解挥发分的氢原子比和高位热值最大化，氧原子比最小化。随后，基于流程模拟对挥发分化学链重整制氢工艺进行了分析和优化。研究结果显示，所建立的神经网络模型能够准确预测热解三相产物的产率、热解气的详细组成、热解油的元素分布及高位热值等。在上述输出参数的综合测试集中，模型的平均决定系数为0.821，平均均方根误差为2.00。优化后，草本生物质（小麦秸秆、玉米秸秆）和木本生物质（榕树、松木）的热解挥发分产率为64.49%至78.62%，氢原子占比在3.77%至4.39%之间。在重整温度700℃，蒸汽/生物质质量比0.71～0.88的优化工况下，小麦秸秆的氢气产量和CO2负排放能力最高，分别为0.6 Nm3/kg与-1.74 kg CO2/Nm3。采用生物质挥发分化学链重整制氢工艺，四种生物质的氢气产量相较常规气化分别增加了61%、35%、16%和34%。研究结果为生物质制备绿氢提供了有效的基础支撑。

关键词：机器学习化学链重整气化生物质优化

管道泄漏检测的主动式压力波激发膜片特性研究

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化工设备与管道 2024年第3期61卷 104-110页

作者：郭希健曹峥邓建强西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049 陕西省能源化工过程强化重点实验室陕西西安710049

设计了主动式压力波发生器,利用压缩空气冲击膜片可以在管道中激发幅值和波形稳定的压力波,从而用于主动式压力波泄漏检测。文章通过实验探究了膜片种类、厚度及预变形对压力波激发特性的影响。实验结果表明,线弹性材料膜片在回弹时会... 详细信息

设计了主动式压力波发生器,利用压缩空气冲击膜片可以在管道中激发幅值和波形稳定的压力波,从而用于主动式压力波泄漏检测。文章通过实验探究了膜片种类、厚度及预变形对压力波激发特性的影响。实验结果表明,线弹性材料膜片在回弹时会产生很强的负压波,且当进气时间为80 ms及100 ms时,其压力波幅值远低于非线弹性的橡胶膜片;当进气时间为100 ms时,用不同种类橡胶膜片激发的压力波幅值仅相差20 kPa。橡胶膜片厚度对压力波幅值的影响较小,但增加膜片厚度可以避免水侧和气侧压力曲线发生分离。膜片施加预变形可以略微提高压力波幅值,同时使水侧和气侧压力曲线不会分离。因此,压力波激发应当选用橡胶作为膜片材料,适当提高膜片厚度且施加预变形。

关键词：压力波压力波发生器膜片管道实验

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陕北富油煤热解提油产物分布特性研究

煤田地质与勘探 2024年第7期52卷 176-188页

作者：俞尊义郭伟杨盼曦高琨杨甫马丽王晶李红强杨伯伦吴志强西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049 陕西省能源化工过程强化重点实验室陕西西安710049 自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室陕西西安710021 陕西省煤田地质集团有限公司陕西西安710021 西安交通大学电气工程学院陕西西安710049

【目的】富油煤是集煤、油、气属性于一体的特殊煤炭资源,富含带有脂肪结构的侧链和桥键等富氢结构,在热解过程中易裂解生成焦油和煤气,是实现煤热转化制油气的理想原材料。目前关于富油煤热解提油相关研究尚处于起步阶段,探究热载体类... 详细信息

【目的】富油煤是集煤、油、气属性于一体的特殊煤炭资源,富含带有脂肪结构的侧链和桥键等富氢结构,在热解过程中易裂解生成焦油和煤气,是实现煤热转化制油气的理想原材料。目前关于富油煤热解提油相关研究尚处于起步阶段,探究热载体类型、升温类型、热解温度等工艺条件对热解过程的影响,对于优化富油煤热解制油气工艺具有重大意义。【方法】以陕北神木富油煤为研究对象探究其在CO_(2)、N_(2)等不同气体热载体条件下热解的油气产出特性,并利用响应面分析法建立富油煤热解所得焦油产率和轻质焦油产率受关键因素影响的回归模型,探究升温类型、气体热载体类型、热解温度三因素交互作用对二者的影响以及焦油产率和轻质焦油产率最大时的最优反应条件。【结果和结论】结果显示:慢速热解过程中,焦油产率在N_(2)气氛下随温度升高呈先升后降趋势,在550℃时最高为10.50%;轻质焦油产率不断增加,在600℃时达到60.67%。相比N_(2)气氛,CO_(2)气氛下,焦油产率和气体产率均有所升高,轻质焦油产率进一步提高,最高达63.67%,焦油中芳香烃和含氧化合物含量也有所升高。相比于慢速热解,富油煤在两种气体热载体条件下快速热解所得焦油产率均有所升高,600℃时CO_(2)气氛下最高(11.71%),焦油中酚油、蒽油等含量增加,轻质焦油产率下降,焦油中酚类、脂肪烃、含氧化合物含量有所增加,热解气中H_(2)和CH_(4)浓度有所降低。基于响应面分析得到三因素对焦油产率和轻质焦油产率影响的显著性顺序均为:热解温度>气体热载体类型>升温类型。以最大焦油产率和最大轻质焦油产率为目标,利用回归模型优化得到最优热解工艺分别为:快速热解、CO_(2)气氛、595℃和慢速热解、CO_(2)气氛、558℃,最优预测值分别为11.72%和60.75%。经过实验验证确定最优条件下的焦油产率和轻质焦油产率分别为:11.94%和60.67%,优化结果与实验验证结果基本一致。

关键词：富油煤气体热载体类型升温类型热解提油响应面法

准东煤半焦赤铁矿载氧体化学链燃烧及碱(土)金属迁移特性

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煤炭学报 2024年第2期49卷 1148-1160页

作者：刘银河王儒儒关昱林啸龙王博王园园西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室陕西西安710049 西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安710049

准东煤在常规燃烧利用过程中出现严重的积灰结渣和CO_(2)排放等问题,极大地限制了其低碳清洁高效利用。采用中低温热解低阶煤生产半焦、焦油和热解气是煤炭分质分级利用的龙头技术,准东高碱煤热解半焦气化活性高,采用化学链燃烧方式有... 详细信息

准东煤在常规燃烧利用过程中出现严重的积灰结渣和CO_(2)排放等问题,极大地限制了其低碳清洁高效利用。采用中低温热解低阶煤生产半焦、焦油和热解气是煤炭分质分级利用的龙头技术,准东高碱煤热解半焦气化活性高,采用化学链燃烧方式有利于实现其低碳清洁高效转化。以CO_(2)为气化介质,赤铁矿石为载氧体,在固定床上开展准东煤半焦原位气化化学链燃烧特性研究,并探究了准东煤半焦中碱(土)金属(AAEMs)的迁移转化规律。研究表明,赤铁矿载氧体能够显著提高固定床反应器出口烟气中CO_(2)体积分数,然而随着载氧体与半焦质量比(mOC/mC)不断增加,CO_(2)体积分数先急剧增加而后趋于不变,最佳的mOC/mC为50:1,而700℃热解制取的准东煤半焦经酸洗脱灰处理后固定床反应器出口相应烟气中CO_(2)的选择性降低了8.95%,这表明准东煤半焦中具有催化活性的AAEMs显著影响其化学链燃烧性能。赤铁矿载氧体对准东煤半焦表面AAEMs的分布也有显著影响,与未加入时相比,Na、K元素在半焦表面呈现较为明显的团簇富集,Ca、Mg元素在空间分布上呈更为明显的依赖关系。采用原位气化化学链燃烧方式后准东煤半焦中的AAEMs向赤铁矿载氧体中发生迁移与转化,并生成霞石(NaAlSiO_(4))、钾长石(KAlSi_(3)O_(8))、钙铝黄长石(Ca_(2)Al_(2)SiO_(7))、镁橄榄石(Mg_(2)SiO_(4))等高熔点矿物质,有效抑制了准东煤半焦中AAEMs向气相的挥发。

关键词：准东煤半焦赤铁矿载氧体碱(土)金属化学链燃烧分质分级利用

产物导向与机器学习驱动的富油煤热解提油热效应评估

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煤炭学报 2024年第8期49卷 3635-3646页

作者：俞尊义刘根郭伟杨盼曦杨甫马丽王晶李红强杨伯伦吴志强西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049 陕西省能源化工过程强化重点实验室陕西西安710049 陕西省煤田地质集团有限公司陕西西安710026 自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室陕西西安710026 西安交通大学电气工程学院陕西西安710049

煤炭热解过程的热效应是煤炭热解机理研究、反应器设计等过程的关键参数。目前关于煤炭热解热效应的评估方法之间精度差异较大,其中应用最多且可行性最大的方法为基于同步热分析仪(TG-DSC同步联用)来进行测定,但该方法依然对仪器的测量... 详细信息

煤炭热解过程的热效应是煤炭热解机理研究、反应器设计等过程的关键参数。目前关于煤炭热解热效应的评估方法之间精度差异较大,其中应用最多且可行性最大的方法为基于同步热分析仪(TG-DSC同步联用)来进行测定,但该方法依然对仪器的测量精度依赖较大,且在得到热流曲线之后的热效应计算方法之间精度也存在差异,导致数据的可重复性差,难以适应大规模生产及工艺设计的需要。富油煤含有较多的脂肪侧链、桥键等富氢结构,在热解过程中受热裂解生成更多的焦油,是良好的煤制油原材料。热解工艺的调控是影响富油煤热解所制焦油品质的关键因素,这其中热解过程的热效应又是热解工艺开发的重要参数,因此无论是对富油煤热解还是对广义的煤炭转化来说,都迫切需要开发准确、高效的煤炭热解热效应评估方法。基于富油煤慢速热解实验结果并结合热解反应机理和经验公式,以产物为导向构建富油煤热解反应体系,利用经典热力学分析方法进行反应体系的热力学计算,得到富油煤热解过程的化学反应热,再结合热解过程中的物理吸热量,得到了富油煤中低温慢速热解过程中的热效应。结合已报道的煤炭热解实验结果和热解热效应测定值,利用机器学习方法中的随机森林模型对煤炭热解热效应进行非线性建模和预测。结果表明:基于实验结果,以产物为导向计算得到的富油煤慢速热解热效应数值总体要低于利用TG-DSC同步联用测得的数值,误差均在10%以内。基于机器学习算法预测得到的富油煤热解热效应的预测精度达到0.9352。综合来看,所构建的2种富油煤热解热效应预测模型具有实用性和适用性。

关键词：富油煤热解热效应产物导向机器学习