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本期目录
2021年 第40卷 第9期 刊出日期:2021-09-05
    本期封面、中英文目次表、版权页
    化工进展. 2021, 40(9):  0. 
    摘要 ( 102 )   PDF (5044KB) ( 172 )  
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    化工进展. 2021, 40(9):  1. 
    摘要 ( 90 )   PDF (486880KB) ( 82 )  
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    专刊:新能源化工
    新能源化工技术
    马紫峰, 贺益君, 陈建峰
    化工进展. 2021, 40(9):  4687-4695.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1613
    摘要 ( 1016 )   HTML ( 98 )   PDF (3623KB) ( 1246 )  
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    发展新能源是实现“碳中和”战略目标的必由之路。本文首先勾画出可再生能源转换利用基本途径,指出新能源化工技术研究的理论基础是电化学工程、光化学工程、生物化学工程、分子化学工程、系统工程和人工智能等;其次,以可再生能源制氢、燃料电池发电与化学品共生、太阳能转换过程为例,阐明可再生能源资源转换中的化工问题;第三,通过对锂离子电池和钠离子电池中多元过渡金属氧化物正极材料及其电极制备过程开发,揭示电化学储能材料与器件制造过程工程特性;第四,介绍了化工系统工程和人工智能在电池状态预测模型构建、综合能源系统管理、光-储-充系统集成与优化运行中的应用。最后,根据各种案例分析,归纳出新能源化工研究的本质是将新能源转换与储存中涉及的“生物/光/电化学反应”,从实验室放大到规模化生产装置,阐明反应中的传质、传热和传荷机理及其反应工程特性。对未来新能源化工技术研发,从“共性科学问题”和“关键技术”两个层面提出了若干研究方向以供参考。

    化学工程视野下的电化学能源转换与存储
    黄红菱, 于畅, 邱介山
    化工进展. 2021, 40(9):  4696-4702.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0742
    摘要 ( 452 )   HTML ( 29 )   PDF (1260KB) ( 640 )  
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    以风力/太阳能等为代表的间歇性可再生能源发电技术为能源快速发展注入了新的活力和契机。为此,发展这些电能的高效转换与存储体系至关重要,已成为当今世界范围内的重大挑战性课题之一。基于此,本文讨论和展望了化学工程视野下的电化学能源转换与存储技术的未来发展方向,为解决该领域工业化发展中的关键科学和技术问题提供了有效指导,将全面促进电化学能源转换与存储领域的快速发展。文章从化学工程的视角综述了电化学能源转换与存储技术(二次电池、超级电容器、电化学催化等)的国内外研究发展状况,指出并剖析了该体系存在的关键科学/技术问题,主要内容包括电化学能源转换与存储领域中的三传一反、系统工程、分离工程以及绿色节能新策略等。

    笼型水合物为能源化工带来新机遇
    郎雪梅, 樊栓狮, 王燕鸿, 李刚, 于驰, 王盛龙
    化工进展. 2021, 40(9):  4703-4710.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0426
    摘要 ( 319 )   HTML ( 13 )   PDF (2101KB) ( 666 )  
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    笼型水合物是利用水分子通过氢键作用构建的笼型结构对甲烷等能源气体进行存储和提取,具有高安全性、高储存容量、温和储存条件、环境友好等优点。天然气水合物是传统能源和绿色能源之间的桥梁燃料,已成为世界各国科学家竞相研究开发的热点。本文综述了笼型水合物在能源与环境、流动安全、工程应用三个方面的研究成果,涵盖了固化天然气(SNG)、CO2捕获和气体分离、蓄冷、海水淡化、汽车燃料以及制氢与储氢等能量转换、能量储存的领域。文章指出大力发展笼型水合物衍生技术,实现提取甲烷同时捕获二氧化碳,有助于实现碳中和的目标。阐述了笼型水合物生成依赖于其自身的热力学相平衡条件、反应过程的动力学性质及传递过程强化,从生成到分解的过程主要包括溶解、成核、生长、晶裂和解吸等一系列步骤,过程的微观机理复杂。展望了利用多尺度方法研究水合物生成的微观结构、界面现象、宏观应用和作用机理,有助于扩展化学工程的原理和知识,对开发能源化工领域新材料新工艺也有裨益,从而促进能源化工的发展。

    新能源化工热力学
    练成, 程锦, 黄盼, 陶浩兰, 杨洁, 刘洪来
    化工进展. 2021, 40(9):  4711-4733.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0430
    摘要 ( 477 )   HTML ( 32 )   PDF (11490KB) ( 639 )  
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    电化学中能源存储与转换技术等新能源技术是目前人类能源系统的重要技术组成部分,涉及多种物理化学过程,通过热力学的理论与模拟计算的方法对其进行研究,可以高效率地解决新能源的储存、释放和转化过程中的绝大部分问题。本文通过梳理总结国内外关于理论计算方面热力学在电化学领域的研究成果,对热力学的研究进行分类并对其性质、优缺点、适用范围等进行了详细介绍。本文介绍了电化学能源存储与转换领域的经典热力学、分子与统计热力学、非平衡态热力学、高通量计算与机器学习对于热力学研究的辅助。通过非平衡态热力学解决电化学问题是当下的发展方向与趋势。而伴随计算机技术的发展,机器学习则是未来该领域一个很有前景的研究方法。希望该综述对热力学在电化学领域的进一步研究和技术发展发挥一定的参考作用。

    微流道气-液两相流研究及其在PEMFC中的应用进展
    廖珮懿, 杨代军, 明平文, 薛明喆, 李冰, 张存满
    化工进展. 2021, 40(9):  4734-4748.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0393
    摘要 ( 498 )   HTML ( 20 )   PDF (1765KB) ( 600 )  
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    微流道由于具有比表面积高、传质能力强等优点,已成功地应用于化工领域的多种气-液反应体系中。此外,其在化工领域中的研究成果还可以应用于目前备受关注的燃料电池领域以提高其电化学转化效率。然而,微流道尺度的微小化以及其中气-液两相流规律的复杂性使得微流道内的气-液两相流特性的阐明还需要进一步的研究,才能促使微流道在实际应用中发挥更优异的作用。本文从流型、压降和传质三个关键特征的研究角度来介绍微流道内气-液两相流的研究进展,简述了不同流型的特征及其形成条件,阐明了其对应的压降大小和传质能力的高低,回顾了现有的压降和传质系数的预测模型及其相应的优化措施,并分析了运用这三个关键特征的相关参数来优化质子交换膜燃料电池流场设计方面的研究进展,得到了流场类型、流道尺寸、流道形状、流道表面特性等的优化方案。但是,燃料电池中的精细流道的特殊结构及其特定工况使得其与传统的微流道有显著的区别。由此,本文提出了应当根据燃料电池精细流道的特点探明其中的两相流型、压降和传质的动态变化规律以及构建相应的压降预测模型的建议,以期为流场设计提供更准确的参考依据,进而提高燃料电池性能,加速燃料电池的商用进程。

    光化学微反应技术的基础及研究进展
    王昱翰, 沈冲, 苏远海
    化工进展. 2021, 40(9):  4749-4761.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1208
    摘要 ( 373 )   HTML ( 29 )   PDF (3182KB) ( 344 )  
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    光化学转化是有效利用光能实现化学反应的重要途径,微反应技术为提高其过程效率提供了一个强有力的平台。本文首先指出微反应器相比于传统釜式光反应器,在光强分布、过程放大、光能利用效率等诸多方面存在明显的优势,能够实现光化学反应过程的高效强化。简要地介绍了光化学转化及光化学微反应技术的基本特征,然后系统地综述了光化学微反应器的设计构建及其在有机合成、聚合等方面的应用,并详细介绍了自动化控制的光化学微反应系统及应用。重点介绍了微反应技术在紫外光、可见光辐照下的光化学合成进展及其过程放大。最后,对光化学微反应技术的研究进展进行总结,并对其发展趋势进行了展望。

    质子交换膜电解水制氢技术的发展现状及展望
    何泽兴, 史成香, 陈志超, 潘伦, 黄振峰, 张香文, 邹吉军
    化工进展. 2021, 40(9):  4762-4773.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0429
    摘要 ( 1590 )   HTML ( 136 )   PDF (2795KB) ( 2554 )  
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    氢能是支撑起智能电网和可再生能源发电规模化的最佳能源载体,而电解水制氢是实现制氢规模化的重要途径。在多种电解水制氢技术中,质子交换膜电解水技术由于具备电流密度大、产氢纯度高、响应速度快等优势,吸引了科学界和工业界的广泛重视。本文首先介绍了质子交换膜电解池的结构组成以及各组成的主要作用,对比分析了碱性电解池、固体氧化物电解池与质子交换膜电解池的技术差异,并结合电解水析氢反应以及析氧反应的机理阐释,分别介绍了两步半反应的常用催化剂;然后,从最初的实验室研究阶段到目前兆瓦级别的质子交换膜电解水系统,回顾了该技术的发展历程以及应用现状;其次,从制氢成本、电堆性能及电堆寿命等多角度分析目前该技术面临的瓶颈问题;最后,根据质子交换膜电解池的技术优势,并针对上游间歇性可再生能源的需求以及和下游产业的联合应用,对其未来前景进行了展望。

    光催化分解水制氢中硫化物空心结构的研究进展
    朱乔虹, 邢明阳, 张金龙
    化工进展. 2021, 40(9):  4774-4781.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0315
    摘要 ( 508 )   HTML ( 33 )   PDF (2778KB) ( 563 )  
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    利用太阳能进行的分解水制氢技术,可以促进太阳能的有效利用和清洁能源氢能的研发。在光催化制氢中,半导体光催化材料的性能是光催化反应性能提升的核心要素,制备优异、高效的光催化剂是提升光催化反应活性的关键步骤。本文从材料形貌和制备角度出发,选取金属硫化物为光催化中的主体半导体,对国内外金属硫化物空心结构的研究、应用和进展进行了回顾,分析了空心结构对增大材料比表面积、增强太阳光吸收、加速载流子分离以及提升反应活性的重要性,提出了空心结构在光催化发展中的优势,对空心结构的发展提出了展望,为这些新型材料的未来研发提供参考,从而能尽快提高光催化反应的太阳光利用率和氢气产量,有助于进一步实现光催化技术的工业化应用。

    芳烃蒸汽催化重整制氢研究进展
    刘嘉辉, 孙道安, 杜咏梅, 李春迎, 刘昭铁, 吕剑
    化工进展. 2021, 40(9):  4782-4790.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0452
    摘要 ( 353 )   HTML ( 25 )   PDF (681KB) ( 655 )  
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    氢能是一种清洁的二次能源,具有绿色环保、零污染、零碳排放等优点。芳烃蒸汽重整制氢原料来源广、单位体积原料产氢量高,在重油焦油清除升级、便携式移动制氢等领域极具应用价值,其核心在于高性能催化剂的开发。文章首先从芳烃重整反应特性、反应网络、动力学模型构建和吸附解离等方面对其反应动力学及机理进行了概述,认为采用热力学理论计算、先进的原位表征技术和严密的逻辑论证实验等综合手段是加深反应动力学和机理认知的关键;其次,按照催化剂组成分类,评述了不同活性组分、载体及助剂的特点,基于镍基双金属活性组分的协同效应、钙钛矿载体的强储/释氧能力和碱性助剂的酸调控作用,指出碱性助剂改性的负载型镍基双金属钙钛矿催化剂是其发展方向。

    以污染物作为电子给体的新型光催化制氢体系的研究进展
    李芳芹, 孙辰豪, 任建兴, 吴江, 陈林峰, 李可君
    化工进展. 2021, 40(9):  4791-4805.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0503
    摘要 ( 295 )   HTML ( 13 )   PDF (4023KB) ( 495 )  
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    以污染物作为电子给体进行的光催化制氢体系代表着一种新型的现代水处理技术,在污染物被降解的同时还可以将太阳能转化为清洁的氢能,有效地缓解了环境污染和能源短缺两大难题。为此,本文结合光催化制氢协同污染物降解反应的机理,概述了近年来国内外在该方向上的主要研究成果,列举了几种常用的催化剂,分析了不同的操作参数,如污染物种类、催化剂类型和组分、催化剂的微观结构、催化剂投加量、pH、污染物浓度、溶液中存在的不同阴阳离子及其他共存物、反应温度以及光照强度对光催化降解率和产氢活性的影响。最后,指出了以污染物作为电子给体的光催化水处理技术在光催化材料的选择上依然面临种类偏少、产氢效率偏低的挑战,并且在反应影响因素的探究上仍存在不充分、不全面的问题。同时,评述了将多项工艺结合起来的多单元水处理系统是未来水处理领域的一个主流模式。

    液氢储运技术及标准化
    陈晓露, 刘小敏, 王娟, 张邦强, 杨海波, 杨燕梅, 鲍威
    化工进展. 2021, 40(9):  4806-4814.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0162
    摘要 ( 673 )   HTML ( 30 )   PDF (802KB) ( 1229 )  
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    液氢作为一种高效的储氢方式,其应用前景十分广阔,但储运技术相对落后、储运环节标准化的缺失限制了液氢产业的快速发展。本文介绍了液氢特性及发展现状,对液氢存储容器类型和运输方式进行对比分析,调研了液氢国内外相关标准现状,并讨论了液氢产业发展对标准体系的迫切需求,阐述了液氢储运技术的难点和未来发展方向,并对液氢储运标准体系的建立进行展望。分析表明,减少液氢储罐的蒸发率、有效降低储运设备成本将是液氢储运技术未来重要的发展方向,液氢储运技术的发展需要建立健全的标准体系,液化天然气相关标准体系对液氢储运标准化具有重要的参考意义。

    氢气中杂质对车用燃料电池性能影响的研究进展
    何广利, 窦美玲
    化工进展. 2021, 40(9):  4815-4822.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0458
    摘要 ( 304 )   HTML ( 17 )   PDF (1614KB) ( 636 )  
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    车用质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFCs)的耐久性是制约氢能在交通领域商业化应用的关键因素之一。阳极燃料气中含有的微量H2S、CO和NH3等杂质是影响PEMFCs耐久性的最主要因素之一。本文综述了PEMFCs阳极氢气中存在的三种关键杂质,即H2S、CO和NH3对PEMFCs阳极性能影响的研究进展,包括杂质毒化机制、动力学、燃料电池操作条件影响以及缓解策略,讨论了氢气杂质容限值规定的理论和实验基础。最后,指出了目前氢气杂质对车用PEMFCs影响研究存在的技术问题及未来发展方向,重点指出了根据我国PEMFCs技术发展水平精准推定满足我国车用燃料电池耐久性的氢气杂质容限值的必要性和紧迫性,从而为优化和完善我国车用燃料电池用氢质量标准提供基础数据,促进车用燃料电池寿命的提升。

    生物炭辅助水电解制氢的特性
    耿震, 应芝, 郑晓园, 高立, 杨景洋, 豆斌林
    化工进展. 2021, 40(9):  4823-4829.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0062
    摘要 ( 317 )   HTML ( 8 )   PDF (3029KB) ( 232 )  
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    利用H型电化学池,在低温下研究稻壳水热生物炭(HB)和热解生物炭(PB)辅助水电解制氢的特性,采用电化学工作站对炭浆液进行LSV、EIS以及产氢特性测试,并结合XPS、FTIR、BET、XRD和SEM表征,分析两种生物炭的电化学反应特性,并探讨了生物炭理化性能对其氧化过程的影响规律。结果表明:HB中丰富的—OH基团使得阳极起始电位非常低,而PB有良好的孔隙结构和高比表面积,因此在较高阳极电位(>1.2V vs. MSE)下的反应活性较强;生物炭浆液的溶液电阻和电荷传递电阻随着反应温度的升高而减小;生物炭氧化反应活化能随着阳极电位的增高呈下降趋势;硅酸盐成分对生物炭氧化有一定阻碍作用,PB酸洗后表面官能团暴露有利于其氧化且使电流密度增大,但酸洗会清除HB中易氧化基团,导致其电流密度下降;相同条件下PB较HB的产氢率更高。

    Co-Bi-B三元复合材料的制备及其在NaBH4水解制氢中的应用
    陈露瑶, 董艳梅, 解品红, 李芳, 李其明
    化工进展. 2021, 40(9):  4830-4836.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0026
    摘要 ( 267 )   HTML ( 5 )   PDF (4135KB) ( 207 )  
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    通过液相共还原法制备了一种新型Co-Bi-B三元复合催化剂材料,并采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱分析(XPS)等表征手段对材料的结构、形貌和元素分布进行了分析。系统考察了Co-Bi-B不同掺杂摩尔比和不同温度对催化NaBH4水解制氢速率的影响。结果表明:掺杂Bi得到的三元合金催化剂呈晶体结构,且能够显著减小催化剂的粒径、减轻团聚现象。当化学还原温度为0℃、掺杂摩尔比Bi∶Co=1∶9时,Co-Bi-B三元催化剂展示了最佳的催化性能,并通过阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程计算得到该催化剂的活化能为38.97kJ/mol。

    电化学储能材料及储能技术研究进展
    朱晟, 彭怡婷, 闵宇霖, 刘海梅, 徐群杰
    化工进展. 2021, 40(9):  4837-4852.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0745
    摘要 ( 1064 )   HTML ( 73 )   PDF (5824KB) ( 1138 )  
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    电化学储能材料及储能技术是新能源利用和实现双碳目标的关键。本文结合上海电力大学上海市电力材料防护与新材料重点实验室的研究成果,综述了近年来电化学储能材料及储能技术的最新研究进展,包括锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池和超级电容器等,分析了各电化学储能技术目前存在的主要问题,从电化学储能机理的角度出发,介绍了正负电极、隔膜、电解质和集流体等电化学储能材料组成和结构的改进方法,为开发大容量、长寿命、高安全、低成本的电化学储能器件提供新的思路。最后,对电化学储能技术的未来发展趋势提出了展望,即探索全固态电池、金属-空气电池等新一代储能器件,拓展电化学储能器件在全温度、柔性条件下的适用性。

    液流电池流场结构设计与优化研究进展
    岳孟, 郑琼, 阎景旺, 张华民, 李先锋
    化工进展. 2021, 40(9):  4853-4868.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0558
    摘要 ( 441 )   HTML ( 13 )   PDF (14262KB) ( 422 )  
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    液流电池结构设计与优化研究是改善电池内部电解液流动性能、提高电堆功率密度和可靠性的重要途径之一。在石墨板上设计并行、交指和蛇形等流道是液流电池使用的传统流道结构,其缺点为流道种类单一、石墨板成本高及机械性能差。为了克服上述缺点,波纹状并行、分离式蛇形、螺旋形等新型流道,在电极上构建流道、引入独立的流道部件、环形与梯形等异形结构等先后被提出。本文从双极板、电极上的结构设计和异形结构设计与优化三方面系统综述了近年来液流电池结构设计与优化研究进展,阐释流场结构等对电池性能的影响机制及其与电池运行、装配间的适配规律,并提出进一步改善电池性能并适合普及应用的流场结构形式。

    锂离子电池介尺度电化学反应非均匀性
    孟德超, 马紫峰, 李林森
    化工进展. 2021, 40(9):  4869-4881.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0461
    摘要 ( 361 )   HTML ( 15 )   PDF (10359KB) ( 321 )  
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    锂离子电池是重要的一类能量存储与转化装置。本文从化工角度上出发,将电池视为一类“特殊的”化工反应器,其中也存在着“三传一反”:电子传输、离子传输、热量传递和电化学反应。电极是这些传递与反应过程发生的主要场所;在不同空间与时间尺度上,电极中的传递与反应过程具有不均匀性,进而导致电池材料的利用与失效的差异。本文进一步讨论了研究电极反应不均匀性的必要性,并从准二维电极模拟计算与多尺度表征分析技术两个角度,对不均匀电极反应过程的传质、传热过程、电化学反应过程、电极结构演变规律、电极失效机制等方面的研究进行综述,对未来高性能、长寿命和具备快充性能的电池开发具有一定的指导意义。

    质子交换膜燃料电池膜电极结构与设计研究进展
    杨博龙, 韩清, 向中华
    化工进展. 2021, 40(9):  4882-4893.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0243
    摘要 ( 607 )   HTML ( 36 )   PDF (7719KB) ( 406 )  
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    膜电极(MEA)为质子交换膜燃料电池(PEMFC)提供了电子、质子、反应气体和产物水等多相物质传递和电化学反应的重要场所。设计和制备具有优异特性的MEA对提高PEMFC的性能,降低制造成本,加快其商业化应用是至关重要的。本文首先对PEMFC的反应机理进行了分析,接着从气体扩散层(GDL)、催化层(CL)、质子交换膜构造(PEM)3个方面阐述各部件在MEA中的作用,归纳总结了各部件的制备方法、传热传质方式、仿真模型、构效关系以及优缺点,最后对影响MEA的各种因素进行了总结,并且结合目前涌现出的许多新兴技术对PEMFC的发展进行了展望。本综述对未来高性能、长寿命和低成本的MEA开发具有指导意义。

    燃料电池高温质子交换膜研究进展
    李金晟, 葛君杰, 刘长鹏, 邢巍
    化工进展. 2021, 40(9):  4894-4903.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0374
    摘要 ( 487 )   HTML ( 22 )   PDF (2533KB) ( 886 )  
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    高温质子交换膜燃料电池具有反应动力学快、CO耐受性高等特点,但磷酸掺杂的高温质子交换膜因磷酸的流失和聚合物的降解等原因导致燃料电池的输出功率发生衰减。本文通过介绍聚苯并咪唑衍生物的高温质子交换膜、聚苯并咪唑的复合型质子交换膜、新型芳基聚合物的高温质子交换膜,阐明聚合物的主链结构、官能团结构以及复合填料对高温质子交换膜性能的影响。在近期的研究报道中,提高膜性能的主要策略包括提升自由体积、建立交联结构、嵌段共聚、复合掺杂(ILs、MOFs、PIMs、MOx)、阳离子官能团修饰等。文章指出,在未来的研究中应该加强对磷酸基高温质子交换膜质子传输通道结构的进一步理解,关注聚合物化学降解和物理性能衰败的原因,并开发更多的新型聚合物材料。

    可逆固体氧化物燃料电池氧电极材料的研究进展
    杨晓幸, 苗鹤, 袁金良
    化工进展. 2021, 40(9):  4904-4917.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0594
    摘要 ( 542 )   HTML ( 11 )   PDF (4545KB) ( 554 )  
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    可逆固体氧化物燃料电池(RSOC)是一种集固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体氧化物电解池(SOEC)于一体的全固态电化学能源转换装置,可以将燃料中的化学能和电能相互高效转化。本文基于RSOC的工作过程和氧电极的电催化机理,分析和讨论氧电极结构的分层问题及对其材料的要求。本文按照单钙钛矿型(锰基、钴基、铁基)、双钙钛矿型和非钙钛矿型氧电极的研究现状进行分类综述,分别从氧电极材料的制备、极化电阻、电催化活性及其与不同的电解质和燃料极材料相匹配几个方面,讨论RSOC在SOFC和SOEC模式下的放电和电解的行为,分析RSOC氧电极的特性。针对氧电极与电解质分层的问题,提出制备中间过渡层、开发新型具有超氧化学计量比和高氧离子传导速率的氧电极材料以及制备一体化对称电池的解决方案,并指出双钙钛矿将是RSOC氧电极的重要候选材料之一。本文将为RSOC氧电极的设计、制备和优化提供重要的参考和依据。

    直接甲醇燃料电池阳极催化剂研究进展
    丁鑫, 张栋铭, 焦纬洲, 刘有智
    化工进展. 2021, 40(9):  4918-4930.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0506
    摘要 ( 455 )   HTML ( 22 )   PDF (4788KB) ( 599 )  
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    直接甲醇燃料电池(direct methanol fuel cells, DMFC)由于其高效、清洁等优点,成为替代化石能源的理想新能源装置。催化剂作为DMFC中重要的组成部分,通过降低反应活化能,解决甲醇需要高过电势才能被电氧化的问题。但是目前DMFC阳极催化剂存在催化活性低、抗CO毒性差以及成本较高等问题,限制了DMFC的商业化。本文介绍了甲醇的催化电氧化原理,从Pt基催化剂、非Pt基催化剂、催化剂载体三个方面对DMFC阳极催化剂国内外研究进展进行了综述。介绍了通过选择合适晶面、添加助催化剂、制备特殊形貌、选择合适的载体4种方法对提高催化剂性能、降低催化剂成本的研究现状。甲醇在Pt(100)晶面上的催化活性较好但是抗CO毒性较弱;根据双功能理论和电子调变理论,制备的Pt-M合金催化剂具有更高的抗CO毒性和甲醇催化活性;非Pt基催化剂的制备为降低催化剂成本提供了研究思路;选择合适的催化剂载体,利用载体与催化剂之间的相互作用,也成为解决DMFC阳极催化剂目前面临的易中毒、活性低、成本高等问题的解决方法。

    燃料电池中铂基电催化剂的设计与合成
    李瑞松, 刘亚琳, 田浩, 王谦, 饶鹏, 李静, 贾春满, 田新龙
    化工进展. 2021, 40(9):  4931-4947.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0402
    摘要 ( 365 )   HTML ( 21 )   PDF (11377KB) ( 275 )  
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    燃料电池具有高能量转化效率、低环境污染等优势,近年来备受关注。然而,阴极氧还原反应和阳极小分子氧化反应成为燃料电池产业化的瓶颈,包括催化剂制备成本高、催化活性低和稳定性差等问题。如何设计高效、稳定的燃料电池催化剂,对于进一步推动燃料电池的应用十分关键,而发展先进的铂(Pt)基电催化剂是最为有效的途径之一。相比于单金属铂纳米晶,铂基无序合金和有序金属间化合物具有独特的物理化学特性,被认为是研究金属电催化剂结构-性能的理想模型。本文综述了高活性、高稳定性的铂基电催化剂的研究现状,首先阐述了铂基电催化剂的催化活性和稳定性的增强机制,着重介绍了铂基合金的调控因素与可控合成,进一步总结了铂基有序金属间化合物的制备策略。最后,对铂基电催化剂的未来发展方向进行了讨论及展望,以期为燃料电池中电催化剂的发展开拓新思路。

    氢燃料电池电催化剂研究进展
    王敏键, 陈四国, 邵敏华, 魏子栋
    化工进展. 2021, 40(9):  4948-4961.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1087
    摘要 ( 777 )   HTML ( 55 )   PDF (10180KB) ( 523 )  
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    目前铂(Pt)及其合金仍是氢燃料电池首选催化剂,但是Pt高价格、低储量及循环稳定性差等缺点严重阻碍了氢燃料电池商业化,因此发展低成本、高性能的新型非Pt催化剂和低Pt催化剂是实现氢燃料电池商业化的关键。本文围绕燃料电池催化开发及使用过程中存在的成本、稳定性和毒化问题,回顾了近年来阴离子交换膜燃料电池和质子交换膜燃料电池催化剂分别在提高阳极催化剂活性、降低阴极催化剂成本领域的最新研究进展,包括催化剂的组成、结构以及颗粒尺寸等对催化活性、稳定性的影响。最后针对燃料电池催化剂存在的问题,指出未来应基于原位观测和表征技术加强对碱性氢氧化机理的研究,同时开发高温制备小尺寸高有序度的有序铂合金阴极催化剂的方法是未来的研究重点。

    酸性环境中甲醇电氧化催化剂的研究进展
    余素云, 梁乐程, 崔志明
    化工进展. 2021, 40(9):  4962-4974.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0244
    摘要 ( 408 )   HTML ( 6 )   PDF (2598KB) ( 812 )  
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    甲醇的电催化氧化是直接甲醇燃料电池的核心反应,高效、长寿命的阳极催化剂的开发是直接甲醇燃料电池研究的一个重要方向。本文总结了近年来酸性环境中直接甲醇燃料电池阳极催化剂的研究进展,包括甲醇电催化反应机理、催化剂的设计合成及其应用。重点介绍了铂基催化剂纳米材料活性和稳定性的增强策略,如组分调控、形貌调控、非金属掺杂以及氧化物的协同催化、载体材料的选用等。最后,对阳极催化剂目前仍存在的制备成本高、催化剂耐久性不足、表征技术有限等问题进行了分析讨论,并对阳极催化剂未来的发展方向进行了展望。

    高温聚合物电解质膜燃料电池大尺寸(200cm2)多蛇形流场模拟与优化
    罗来明, 陈思安, 王海宁, 张劲, 卢善富, 相艳
    化工进展. 2021, 40(9):  4975-4985.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0046
    摘要 ( 232 )   HTML ( 7 )   PDF (8004KB) ( 199 )  
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    以大尺寸(100mm×200mm, 200cm2)多蛇形流场为研究对象,通过数值模拟和实验的方法探究了阴极多蛇形流场的排布方式对高温聚合物电解质膜燃料电池输出性能的影响。相比于竖向排布多蛇形流场,基于横向排布的多蛇形流场的电池在进气量1.527L/min和电压0.6V时展示出了更高的平均输出电流密度222.78mA/cm2和更均匀的电流密度分布(均一指数为75.3%)。在此基础上,进一步对横向排布流场结构的气体通道数进行了优化。结果表明入口气体通道数的增加可以显著减少流场进出口的压降损失,但电池平均输出电流密度和均一指数也有所降低。其中,9通道横排多蛇形流场有较高的电池性能和较好的电流密度分布均匀性(相对于14通道)和较低的压降损失(相对于6通道),对进一步提高高温聚合物电解质膜燃料电池的性能及稳定性和商业化应用具有指导意义。

    固态金属锂负极界面研究进展
    赵辰孜, 袁洪, 卢洋, 张强
    化工进展. 2021, 40(9):  4986-4997.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0952
    摘要 ( 446 )   HTML ( 27 )   PDF (2741KB) ( 873 )  
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    开发下一代高安全性、高能量密度电池是电动汽车、可穿戴便携电子设备与可再生能源高效利用的关键。固态金属锂电池是极有希望的下一代电池体系。本文首先综述了固态电解质与界面特性,包括固态电解质中的离子传输机理和固态电解质分类,指出金属锂电极与固态电解质之间有限的固-固界面接触是固态金属锂电池实用化的重要挑战,其界面演变特性主导了固态电池的性能表现。界面演变是机械-化学-电化学耦合的过程。其次,文章综述了电池界面失效机制与构筑策略,指出界面失效包括枝晶状沉积引发的电池短路与空穴累积、副反应导致的电化学界面脱触等,使用界面润湿剂、引入界面缓冲层或构造三维多孔骨架结构化电极等是解决界面问题的重要手段。最后,文章总结指出,固态金属锂电池仍有巨大的进步空间,先进的理论研究和表征手段为进一步认识和理解固-固界面提供了新的机遇,通过界面化学、材料科学、系统工程等领域的交叉共融,有望共同推动下一代高安全、高能量密度固态储能技术的发展。

    锂离子电池正极材料合成及改性
    王策, 王国庆, 王二锐, 吴天昊, 尉海军
    化工进展. 2021, 40(9):  4998-5011.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0534
    摘要 ( 369 )   HTML ( 14 )   PDF (8958KB) ( 453 )  
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    电动汽车续航里程的提升主要依赖于锂离子电池的能量密度,其中发展高容量的正极材料成为关键。富锂锰基层状氧化物(LLOs)和高镍三元层状氧化物(NCM,Ni≥80%)等高容量正极材料成为了研究热点,其前体的开发对正极材料电化学性能的发挥有重要的影响。本文从工业化的角度对共沉淀法制备LLOs和NCM正极材料前体的反应过程和影响因素进行了介绍,分析了球形团聚体、单晶和浓度梯度等正极材料的结构和性能,并详细阐述了正极材料中晶面取向调控、掺杂及表界面处理等改性策略的原理及优缺点。文章指出,综合来看单晶材料表现出较好的循环稳定性和热稳定性,但倍率性能有待进一步提升。浓度梯度正极材料不仅保持了高容量特性,还兼顾良好的结构稳定性和热稳定性,有望突破高容量正极材料进一步发展的技术瓶颈。最后,基于本文作者课题组在高容量正极材料方面的研究,对正极材料的未来发展趋势给出了一些建议。

    锰氧化物的合成及在锂离子电池中的应用进展
    俞明浩, 顾梦旋, 吴正颖, 孙林兵
    化工进展. 2021, 40(9):  5012-5028.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0399
    摘要 ( 296 )   HTML ( 17 )   PDF (8213KB) ( 407 )  
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    能源是限制人类发展的重要因素,近年来随着新能源的发展,人们对于储能设备的要求也越来越高,其中,锂离子电池被认为是最具有发展前途的储能设备之一。目前,商用锂离子电池的负极材料以石墨为主,石墨虽然具有良好的导电性,但理论容量较低,已逐渐无法满足高能设备的大容量需求。过渡金属锰氧化物由于储量丰富、氧化形态多样、结构多元、理论比容量高、环境友好等特点,被认为是锂离子电池理想的替代负极材料之一。本文详细介绍了近年来4种锰氧化物(MnO、Mn2O3、Mn3O4和MnO2)分别在纳米化和复合结构构筑两方面的材料设计及合成,总结比较了4种锰氧化物用作锂离子电池负极材料的性能,展望了锰氧化物在锂离子电池负极材料领域的发展前景和方向。

    安全固态锂电池室温聚合物基电解质的研究进展
    邹文洪, 樊佑, 张焱焱, 白正帅, 汤育欣
    化工进展. 2021, 40(9):  5029-5044.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1110
    摘要 ( 355 )   HTML ( 19 )   PDF (10888KB) ( 403 )  
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    目前,大多数聚合物固态电解质在室温下离子电导率较低,约为10–8 ~10-6 S /cm,且对温度存在着较大的依赖性,仍无法满足高性能室温固态锂电池的实际应用需要。基于此,本文先介绍了室温聚合物电解质在锂离子电池中应用的主要研究进展及其优缺点。然后,从物理调控、化学调控等多角度重点阐述了室温聚合物电解质(包括全固态聚合物电解质、准固态聚合物电解质)的制备工艺、优化与改性方法、作用机理等在电池中应用的主要研究进展和现状。最后,对锂离子电池用室温聚合物电解质存在的挑战和未来可能发展趋势进行了展望。

    全固态锂离子电池的研究进展与挑战
    宋洁尘, 夏青, 徐宇兴, 谭强强
    化工进展. 2021, 40(9):  5045-5060. 
    摘要 ( 379 )   HTML ( 22 )   PDF (6936KB) ( 299 )  
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    全固态锂离子电池具有安全性高、电化学性能优异等优点,但存在电极与电解质界面相容性差、室温离子电导率低等问题。本文总结了以上问题产生的原因及解决方案。对于正极界面,可复合正极材料与固态电解质、构造三维多孔结构固态电解质或在界面处引入缓冲层。对于负极界面,可设计界面层、原位聚合生成固态电解质、构造固态电解质骨架或使用自愈合和弹性固态电解质。对于固态电解质自身,以聚氧化乙烯(PEO)固态聚合物电解质为例,可添加增塑剂、无机陶瓷填料或构造聚合物共混物与嵌段共聚物。最后,对今后的研究方向提出了建议:应注重优化电极/固态电解质界面层;探索锂离子传输机理;构建具有高离子电导率的固态电解质等。

    膜特征对锂资源提取过程的影响
    李志录, 王敏, 赵有璟, 彭正军, 白露
    化工进展. 2021, 40(9):  5061-5072.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0296
    摘要 ( 283 )   HTML ( 9 )   PDF (3443KB) ( 531 )  
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    可再生能源领域的发展吸引了众多学者对锂电池行业的关注,高效绿色提锂技术成为研究的重点。膜分离技术由于在连续操作中具有操作方便、运行易控、耗能低等特点在锂资源提取中展现出广阔的应用前景。本文基于锂资源提取的膜分离技术,归纳并讨论膜孔和膜表面特征对锂离子分离的影响。文章指出,离子在膜孔中的传输是其分离的基础,离子尺寸和离子在膜孔中传输形态影响其传输速率。膜孔的尺寸和形态是影响锂离子分离的关键因素,不同尺寸、形态和膜孔内电荷在分离过程中表现出不同的分离效果。基于膜表面特征,文章概括了现有荷正电膜、荷负电膜及表面亲疏水性在锂离子分离中的性能差异。最后,文章探究了膜分离技术在锂资源提取中存在的挑战和机遇,推进膜分离技术在锂资源提取方向的理论研究和实际应用。

    锂硫电池中的催化应用
    高希雅, 邓子华, 李存璞, 魏子栋
    化工进展. 2021, 40(9):  5073-5087.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1070
    摘要 ( 269 )   HTML ( 14 )   PDF (7333KB) ( 517 )  
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    锂硫电池以其高理论比容量、环境友好和低成本等优点成为理想的下一代高能量密度储能装置。但活性材料的绝缘特性、多硫化物的穿梭效应和硫物种缓慢的动力学转化过程,导致电池性能持续衰减,是目前阻碍锂硫电池商业化发展的关键。利用催化材料加速硫物种转化,研究催化氧化还原动力学,从而实现高性能锂硫电池的开发、认知硫物种微观转化机制,是近年来受到广泛关注的研究热点。本综述从理解多硫化物产生、转化和硫化锂沉积等角度入手,讨论了锂硫化学中的催化转化特点,综述了近年来锂硫电池催化材料的研究进展,评述了催化剂的设计策略与评价方法,可为高活性锂硫电池催化剂材料提供一定的借鉴。

    超级电容器用活性炭国产化关键化学与化工问题
    孔庆强, 黄显虹, 王振兵, 郭晓倩, 谢莉婧, 苏方远, 孙国华, 陈成猛
    化工进展. 2021, 40(9):  5088-5096.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0394
    摘要 ( 460 )   HTML ( 30 )   PDF (1595KB) ( 992 )  
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    超级电容器具有功率密度高、循环寿命长和安全可靠等优点,在电动汽车、轨道交通、新能源、电磁弹射和激光武器等领域已广泛应用。然而,作为超级电容器的关键电极材料——活性炭,始终未实现国产化,一直依赖从日本和韩国进口,极大地制约了国内超级电容器及其下游产业的发展。本文综述了超级电容器用活性炭的理化性能对其电化学性能的影响,介绍了国内外超级电容器用活性炭产业现状,指出了其生产过程中制约产品品质的典型传质和传热等化工问题。文章提出,应在现有活性炭基础上建立全面合理的超级电容器用活性炭指标体系,从而指导其国产化工艺开发。针对其生产工艺和装备开展仿真模拟研究,以解决国产炭材料批次稳定性和一致性的问题,保障超级电容器行业关键材料自主可控。

    共沉淀法制备高镍氧化物正极材料前体研究进展
    王志鸿, 朱华威, 余海峰, 江浩, 李春忠
    化工进展. 2021, 40(9):  5097-5106.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0346
    摘要 ( 376 )   HTML ( 16 )   PDF (7990KB) ( 452 )  
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    高镍氧化物正极材料(Ni质量分数≥0.8)具有高比容量、高压实密度、低成本等优势,能够满足下一代动力电池低钴和高能量密度的需求。其中,氢氧化物前体的尺寸、球形度、粒度分布以及纳米片堆积方式等直接影响最终产品的性能。共沉淀法是目前普遍采用的商业化制备氢氧化物前体的途径。在合成过程中,反应体系溶液的pH、氨水浓度、进料速度等影响产物沉淀速率和产品质量,而反应釜的结构优化有助于提高溶液的混合、热质传递等。本文结合共沉淀反应工艺参数的理论计算,介绍了制备高镍氧化物正极材料前体连续搅拌反应器系统(CSTR)的结构设计原理,总结了合成工艺参数对前体成核生长、微结构的影响规律,介绍了共沉淀法制备优质前体的关键因素。最后,通过分析我国高镍氧化物前体的市场现状,展望了共沉淀法制备前体的未来发展趋势。

    金属有机骨架材料用于吸附分离CH4和N2的研究进展
    马蕾, 张飞飞, 宋志强, 杨江峰, 李立博, 李晋平
    化工进展. 2021, 40(9):  5107-5117.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0673
    摘要 ( 288 )   HTML ( 7 )   PDF (7487KB) ( 280 )  
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    非常规天然气的利用不仅可以有效缓解常规天然气不足带来的能源问题,而且可以降低其肆意排放带来的温室效应,无论是低浓度煤层气的提浓还是低品质天然气的提质都需要解决甲烷与氮气的分离难题。基于金属有机骨架(MOFs)材料结构和功能均呈多样化的特色,本文主要从CH4选择型MOFs吸附材料和N2选择型MOFs吸附材料两个方面,综述了近年来MOFs材料在CH4与N2吸附分离方面的研究进展,讨论了影响二者分离的影响因素,并对吸附与分离机理与MOFs结构和性能关联进行了详细的总结与分析,提出了CH4与N2选择性提升的方法,即需要合适的孔道尺寸与弱极性表面性质或有利骨架结构的协同作用,最后展望了MOFs材料在甲烷富集和纯化领域的应用前景和发展趋势。

    石墨烯基复合材料在新能源转换与存储领域的应用现状、关键问题及展望
    孔玥, 黄燕山, 罗宇, 韩生
    化工进展. 2021, 40(9):  5118-5131.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0398
    摘要 ( 314 )   HTML ( 12 )   PDF (7594KB) ( 260 )  
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    石墨烯具有独特的二维结构、较大的理论比表面积、高载流子迁移率、高杨氏模量以及高热导率等特性,一直以来被视为新能源转换与存储领域的潜在应用材料。这些优势使其可以与一种或多种高活性的无机/有机材料通过共价键/非共价键进行复合,并通过协同效应来改善材料自身的缺陷,实现材料的性能最优化,进而拓展了其应用范围。因此,如何设计并合成具有一定功能作用的石墨烯基复合材料,构筑新型石墨烯结构,满足能源及其相关领域对于材料相关性质的要求,成为石墨烯材料领域的研究热点方向之一。本文综述了近年来石墨烯基复合材料的设计思路及该类材料在新能源转换与存储领域上的应用现状,并对其在各领域存在的关键问题进行了总结。最后,对石墨烯在各领域今后的研究和发展方向进行了展望。

    电化学耦合阴极二氧化碳还原与阳极氧化合成
    葛睿, 胡旭, 董灵玉, 李丹, 郝广平
    化工进展. 2021, 40(9):  5132-5144.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0887
    摘要 ( 547 )   HTML ( 31 )   PDF (4099KB) ( 1192 )  
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    电催化二氧化碳还原(CO2RR)利用电场作用在温和的条件下将二氧化碳转化为高值化学品。将CO2RR与热力学电势较低的阳极反应耦合,可以降低槽电压,在阳极和阴极同时生成高值化学品,提高能量效率。本文介绍了CO2RR与氧化合成反应耦合策略,探究了电解池、离子交换膜等电解装置对CO2RR耦合电催化性能的影响,归纳了常用于CO2RR耦合氧化合成体系中阴阳极电催化剂的种类,重点综述了CO2RR与氯碱过程、醇类和含氮有机物氧化等典型阳极氧化合成反应耦合的最新进展。最后,针对目前存在的阳极催化剂成本高、全电解阳极产物的分离检测困难、反应物转化率低等问题,提出开发更加高效、稳定和低成本的阳极电催化剂、升级电极结构和电解装置以及拓展新型CO2RR耦合体系等是未来的研究方向。

    催化反应技术在滨海电厂的CO2资源化利用和海洋防污领域的应用
    刘安仓, 陈川, 陈建忠, 陈裕忠, 朱晨亮, 江永, 鲁福身, 王双喜, 钟子宜, 宋一兵
    化工进展. 2021, 40(9):  5145-5155.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0395
    摘要 ( 302 )   HTML ( 8 )   PDF (5137KB) ( 618 )  
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    二氧化碳(CO2)减排和海洋生物污损防治是滨海火电厂亟待解决的重大课题。近年来,CO2固体吸附材料及新能源催化反应技术的快速发展,推动了碳捕集与利用技术(CCU)的实用化进程。在燃煤火电厂原有的基础上增加碳捕集与利用技术,将其改造成碳捕集与CO2资源化电厂,有望从根本上实现CO2减排的目标,是火电企业未来发展的方向。另外,洁净能源驱动的催化反应技术也已延伸至海洋生物污损防治领域,并取得了积极的成效。本文综述了固体CO2吸附材料研发的新进展,重点介绍了金属有机框架(MOF)材料结构改性和功能化修饰对提高CO2选择性吸附性能等方面的研究成果,并基于滨海火电厂的生产实况和能源资源优势,分析、总结了热催化、光/电催化反应技术在CO2资源化利用及生物污损防治等方面的研究现状和存在的问题,提出并论证了利用光触媒涂层阻断或抑制海洋生物黏附与生长的污损防护策略及其在具体场景中应用的可行性。最后从环保和实用化的角度对滨海电厂在CO2减排和生物污损防治技术方面的发展趋势进行了展望。

    热增强的光催化二氧化碳还原技术
    罗志斌, 龙冉, 王小博, 裴爱国, 熊宇杰
    化工进展. 2021, 40(9):  5156-5165.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0632
    摘要 ( 667 )   HTML ( 35 )   PDF (4375KB) ( 842 )  
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    利用太阳光驱动二氧化碳(CO2)催化转化合成燃料是缓解能源危机和降低温室效应的理想途径。然而,当前面临的主要挑战在于CO2固有的化学稳定性使得光催化反应的转化效率低下。热量被认为是促进催化转化反应过程的重要推动力,可以有效提升光催化转化的效率。本文综述了不同形式的热增强光催化在CO2还原生产燃料方面的应用,包括外加热源的光催化CO2还原、光热效应促进的光催化CO2还原以及等离激元增强的光催化CO2还原体系。文章指出:热增强的光催化技术继承了光催化的高选择性和热催化的高反应活性的优势,实现了CO2还原反应的高效进行。具体分析如下:外加热源主要通过直接加热装置或者聚焦太阳光能实现,产物的生成效率明显增强,选择性影响不大;光热效应发挥着局部提高催化剂反应温度的作用,使能量利用效率更高,大幅度降低CO2还原反应所需的能量;等离激元效应除了发挥光热效应的作用,同时兼备增强光吸收、促进载流子分离和加速表面反应动力学的作用。文章最后指出,通过对反应机理进行深度研究,合理调控反应体系的反应条件,将极大促进热增强的光催化CO2还原技术发展,为CO2利用提供有效手段。

    相变储热的传热强化技术研究进展
    林文珠, 凌子夜, 方晓明, 张正国
    化工进展. 2021, 40(9):  5166-5179.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0460
    摘要 ( 424 )   HTML ( 17 )   PDF (4210KB) ( 558 )  
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    相变储热技术具有储热密度大、相变温度稳定以及过程容易控制等优点,具有广泛应用前景。相变储热技术在应用中需完成热能的储存与释放过程,其传热特性直接决定应用效果。储热技术的传热强化主要包括三个方面:一是相变材料本身的导热强化;二是潜热型功能热流体的对流传热强化;三是储热器的传热强化。本文综述了国内外在相变储热技术的传热强化研究方面的进展,主要介绍了膨胀石墨、泡沫金属等复合相变材料的导热强化,相变微胶囊及相变微、纳米乳液潜热型功能热流体传热强化以及管壳式储热器、板式储热器、螺旋盘管储热器等储热器的传热强化。文章指出,膨胀石墨基复合相变材料具有高热导率、大储热密度以及良好的定型特性,且价格低廉,极具应用前景。纳米乳液功能热流体具有表观比热容大、流阻较小等优势,但存在稳定性较差、过冷度大等问题。板式储热器具有较大的传热面积、较高的传热功率,适宜应用于相变材料传热系统。但应用背景不同,针对不同场景提供不同储热器的选型及指导值得作进一步的研究。

    相变微胶囊的制备及其在微通道的应用进展
    高迪, 王树刚, 才晓旭, 王继红, 李宜轩
    化工进展. 2021, 40(9):  5180-5194.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-2436
    摘要 ( 360 )   HTML ( 6 )   PDF (3239KB) ( 547 )  
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    相变微胶囊是一种性能良好、稳定性强的相变储能材料,其热导率偏低,但对相变微胶囊进行改性以及优化换热条件可以提高热导率。本文系统地介绍了相变微胶囊与改性相变微胶囊的制备方法,以及两者的区别。文章指出,对比分析可知,原位聚合法是制备改性相变微胶囊最常用的方法,对壁材进行改性是最常用的改性方法,并且在众多改性材料中氧化石墨烯是一种高导热、力学性能优异、稳定性强的改性材料。同时,文中对相变微胶囊和改性相变微胶囊在微通道换热器中的应用进行概述与总结,指出其中存在的问题:相变微胶囊与微通道换热器的结合,在提升换热效果的同时还存在着增加流动阻力和压降的问题。因此需要确定悬浮液流动的临界速度,充分发挥相变微胶囊与微通道换热器的优势。

    生物质热解利用中主要催化剂的研究进展
    方书起, 王毓谦, 李攀, 宋建德, 白净, 常春
    化工进展. 2021, 40(9):  5195-5203.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0245
    摘要 ( 566 )   HTML ( 23 )   PDF (1225KB) ( 648 )  
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    催化热解目前逐渐成为生物质转化利用技术的主要研究方向,相比常规热解,催化热解可以对生物油进行有效提质并且定向产生高值化产品。本文通过对近年来新兴的催化剂进行综述,包括分子筛类催化剂(ZSM-5、HZSM-5、USY等)、炭基催化剂、金属氧化物、白云石、整体式催化剂等,了解了目前生物质热解利用中催化剂领域内的最新研究进展。文中指出,良好的催化剂是保证反应顺利进行的关键,不同催化剂定向产生的高值化产品也有所不同,因此催化剂的正确选择对于生物油的提质起着重大作用。根据目前领域内所研究内容,本文还对各类催化剂的优缺点、产物特性进行了详细比较,并针对该技术现有问题提出了部分建议并进行展望,为以后生物质热解领域催化剂的研究提供了重要的理论依据。

    烘焙对生物质理化性质及气化特性的影响
    苏允泓, 任菊荣, 孙云娟, 蒋剑春, 杨中志, 许乐
    化工进展. 2021, 40(9):  5204-5213.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0628
    摘要 ( 303 )   HTML ( 4 )   PDF (2805KB) ( 543 )  
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    生物质资源丰富廉价,因清洁可再生、碳中和等优点备受研究者的关注,但是其能量密度低、水分和氧含量高等缺点也限制了其规模化应用;另外,生物质直接气化产生的合成气热值较低,且会产生大量焦油。本文阐述了烘焙预处理对生物质燃料品质的提升以及对气化过程积极的调控作用。文章指出,生物质烘焙后,氧元素含量、H/C和O/C下降,固定碳含量和高位热值增加;可磨性和疏水性得以提高,在一定程度上弥补了烘焙过程的耗能。文中从微观角度对生物质燃料品质的提升进行了解释,并简述了微波烘焙的特点与优势。使用烘焙生物质气化,产生的合成气可燃成分高,且焦油产量有所下降。文章总结后续工作可以考虑从以下三个方面展开,即对“烘焙-利用”过程进行全生命周期评价、利用微波技术更准确地探索温度对烘焙效果的的影响机制、结合烘焙与焦油催化重整技术进一步降低焦油产量。

    手性NAD类似物合成及其辅酶应用
    李青, 刘武军, 郭潇佳, 王倩, 赵宗保
    化工进展. 2021, 40(9):  5214-5221.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0553
    摘要 ( 239 )   HTML ( 4 )   PDF (1139KB) ( 261 )  
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    烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)是生命体中必不可少的氧化还原辅因子。NAD具有β-NAD和α-NAD两种差向异构体,而大多数NAD依赖酶偏好β-NAD。近年来,已合成大量结构简化的NAD类似物,并探索其作为氧化还原辅因子应用于生物催化反应。通常认为酶天然具有立体选择性,而很多结构简化的NAD类似物不含手性中心,暗示有必要合成手性NAD类似物以评估其性能。本研究拟设计合成手性NAD类似物,并初步探讨部分氧化还原酶利用它们作为辅酶的催化性能。以商品化光学纯的氨基-3-苯基丙酸为手性原料,合成了两对NAD类似物对映体,并用来源于巨芽孢杆菌的突变型细胞色素P450单加氧酶(P450 BM3 R966D/W1046S)和来源于硫化叶菌的突变型葡萄糖脱氢酶(SsGDH I192T/V306I),测试这些NAD类似物作为辅酶的催化活性。结果发现,P450 BM3 R966D/W1046S利用还原型S构型NAD类似物的催化效率高于对应的R构型NAD类似物;而SsGDH I192T/V306I则对NAD类似物对映体均没有活性。研究初步表明,氨基酸可作为手性原料制备立体构型明确的NAD类似物,而氧化还原酶表现出偏好特定手性NAD类似物的现象,也提示需要合成更多的手性NAD类似物,并系统测试和匹配氧化还原酶及其突变体,以创建出基于辅酶依赖型氧化还原酶的新催化体系。

    二乙醇胺强化胶球藻Coccomyxa subellipsoidea C-169固定CO2和积累油脂
    邹帅, 李玉芹, 马怡然, 齐振华, 贾权威
    化工进展. 2021, 40(9):  5222-5230.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0263
    摘要 ( 401 )   HTML ( 8 )   PDF (3242KB) ( 218 )  
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    以优良藻株胶球藻Coccomyxa subellipsoidea C-169为受试对象,探究不同二乙醇胺(DEA)浓度对胶球藻固定CO2及积累油脂的影响。结果表明,适宜浓度DEA可显著提高胶球藻固定CO2和积累油脂效率。在40mg/L DEA条件下,胶球藻生物量、CO2固定效率、油脂含量、油脂产率均达到最大值为0.97g/L、225.98mg/(L·d)、64.33%、59.9mg/(L·d),分别较无DEA对照提高了1.64倍、1.64倍、1.15倍和1.27倍。外源DEA作用提高了体系气液传质系数,增强CO2传质效率,使得胶球藻可用无机碳源比例增加,同时上调固碳路径Rubisco和CA加强胶球藻固定CO2,上调脂肪酸路径ACCase以及下调ACCase竞争路径PEPC为油脂合成积累提供前体和能量,从而协同强化了胶球藻固定CO2和积累油脂。本文研究结果为工业化胶球藻CO2生物减排及可再生能源开发提供依据。

    电子特气甲硅烷的国产化实践及行业展望
    李学刚, 肖文德
    化工进展. 2021, 40(9):  5231-5235.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1171
    摘要 ( 390 )   HTML ( 13 )   PDF (3083KB) ( 481 )  
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    高纯甲硅烷是半导体工业中最重要“源”性气体,广泛应用于集成电路、太阳能光伏、显示面板及车用动力电池等领域,曾被美、日、韩等国垄断。本文回顾了甲硅烷技术的国产化之路,指出氯硅法路线和反应精馏技术,创新高纯甲硅烷大规模生产新工艺,产品打破国外技术垄断并先后导入光伏、显示面板、集成电路等领域。本文还对甲硅烷电子特气行业进行展望,指出本文作者课题组为代表开发的氯硅法路线是未来的主流工艺,而镁硅法联产甲硅烷和乙硅烷也可能是一条较好路线,并认为通过技术整合和工艺创新开发多产品和多联产产品,发展平台型企业,是未来行业发展的方向。

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