- 孙超;谢华清;徐海健;张树;刘坤;
【目的】为揭示镍-锆酸钠（Ni-Na2ZrO3）吸附-催化双功能材料在吸附增强甲烷（CH_4）蒸汽重整中的微观反应机理，以解决传统CH_4重整技术中CO2分离能耗高、催化剂积碳严重等问题。通过理论模拟优化材料设计，为开发高效、低能耗的双功能材料提供科学依据，推动氢能规模化应用及碳中和目标的实现。【方法】基于密度泛函理论，构建Ni-Na2ZrO3表面模型，系统分析21种吸附质，包括CH_x、CH_xOH、CO、CO2等在不同吸附位点的吸附能及竞争吸附特性。通过过渡态计算确定34个基元反应的能垒，探究CH_4解离、中间产物转化及CO_2生成的动力学路径。结合表面能、吸附能及反应能垒数据，揭示碳转化路径的关键步骤与限速环节。进一步对比Na_2ZrO_3与Ni-Na_2ZrO_3的CO_2吸附-解吸性能，评估Ni掺杂对材料再生能力的影响。【结果】研究表明，CH_x和CH_xOH的吸附能随脱氢程度加深而显著增强，C吸附能为-8.69 eV，而CH_4仅为-0.45 eV，表明脱氢产物与表面相互作用增强。最终产物中，H2吸附能较低，为-0.42 eV，易于逸散，而CO_2吸附稳定，为-0.55 eV，实现原位分离。CH_4解离最优路径为直接脱氢路径（CH_4→CH_3→CH_2→CH），其中CH_3→CH_2+H为限速步骤，能垒为1.59 eV。Ni掺杂显著提升材料再生性能：Ni-Na2CO3对ZrO2的吸附能由原有-4.90 eV增至-9.74 eV，且CO_2解吸能垒从4.90 eV降至2.05 eV，大幅降低再生能耗。【结论】Ni-Na_2ZrO_3双功能材料在吸附增加CH_4水蒸气重整制氢中展现出高效碳转化能力与优异的循环稳定性。其最优反应路径通过直接脱氢与CHOH路径耦合实现，限速步骤明确；Ni的引入通过强化吸附界面与降低解吸能垒，显著提升CO_2捕集与材料再生效率。本研究为设计兼具高催化活性与再生能力的双功能材料提供了理论框架，对推动低能耗制氢与碳捕集技术发展具有重要指导意义。
2025年03期 v.41;No.200 373-382页 [查看摘要][在线阅读][下载 1398K] [下载次数：38 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 李昉啸;刘金浩;王瑞婷;马靖文;
【目的】钒基催化剂在选择性催化还原（selective catalytic reduction,SCR）技术中面临低温活性差和易中毒等问题，而锰基催化剂因其优异的低温催化性能成为研究热点。本文旨在系统总结锰基催化剂的类型、结构及其抗中毒性能提升策略，以推动其在工业脱硝中的应用。【方法】通过综述近年研究，将锰基催化剂分为多金属锰基氧化物和负载型催化剂（金属氧化物、碳基材料、分子筛负载）。抗中毒性能提升策略包括：1）金属Fe、Ce、Ni的掺杂优化氧化还原能力；2）载体优化（如TiO2、碳基复合材料）增强分散性与稳定性；3）形貌结构设计（如纳米棒、核壳结构）抑制硫酸盐沉积。【结果】金属掺杂显著提高Mn~(4+)比例，例如Fe-Mn/TiO_2在150℃下NO转化率达97.7%；载体优化中，TiO_2负载的Mn基催化剂在含H_2O条件下运行10 d仍保持稳定；形貌优化如MnO_x/CeO_2纳米棒在572 mg/m~3 SO_2中运行1 000 h无活性损失。此外，双金属掺杂，Fe/Co摩尔比为2:4使催化剂抗硫性提升30%。锰基催化剂通过多组分掺杂、载体协同和结构设计可有效提升低温活性和抗中毒性能。然而，长期抗毒稳定性、多污染物影响及成本问题仍需深入研究。【结论】未来需开发环境友好型改性策略，并结合原位技术揭示反应机理，以推动锰基催化剂的工业化应用。
2025年03期 v.41;No.200 383-392页 [查看摘要][在线阅读][下载 1477K] [下载次数：43 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 温霄瑨;马达夫;李汪繁;吴何来;丁先;
【目的】本文旨在系统梳理植物基活性炭的制备技术，分析炭化、活化及改性等关键工艺的参数对其性能的影响，并通过经济性分析评估其应用潜力，以推动其在发电领域的规模化应用。【方法】围绕植物基活性炭的制备过程，系统对比直接炭化、水热炭化和微波炭化不同炭化方法与物理、化学、物理化学、微波辅助化学和催化活化不同活化方法对活性炭孔隙结构、比表面积及吸附性能的影响规律；探讨物理、化学及金属负载改性方法对表面官能团和选择性的调控机制；结合发电领域需求阐述其具体应用场景。【结果】研究表明，（1）直接炭化升温速率比水热更快，但能耗更高，但水热炭化过程能耗较低、制得活性炭特性较广，因此有更为广泛的应用；（2）物理活化使用O_2作为活化剂能够有效降低活化温度。化学活化、物理化学活化主要调节的分别是活性炭的表面性质和孔径分布；微波辅助和催化活化都能在一定程度提高活化反应过程，微波辅助活化能够降低活性炭表面酸性，催化活化根据金属氧化物催化剂颗粒尺寸的不同，使活性炭孔径分布调节至某一范围；（3）经济性分析表明，结合气化供热/发电可降低总体能耗，植物基活性炭生产成本较煤基降低30%~50%，更具经济性；（4）在发电领域，植物基活性炭可吸附二噁英，效率达99%以上，并可同步脱硫脱硝；作为电解水催化剂载体，可将产氢速率提升45%；作为超级电容器材料，能量密度达到136.6 W·h/kg，综合性能显著优于传统材料。【结论】植物基活性炭凭借高比表面积、可调控的孔隙结构及丰富的表面官能团，在电厂烟气处理、电催化及储能领域展现出广阔应用前景。未来需进一步优化制备工艺的能效与经济性，推动其向规模化发展，助力电力行业低碳化发展。
2025年03期 v.41;No.200 393-404页 [查看摘要][在线阅读][下载 1131K] [下载次数：39 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 王霂晗;周宇;沈凯;张亚平;
【目的】甲醇作为工业化学品的关键原料，通过可再生氢能将温室气体CO_2转化为高附加值甲醇是实现“碳中和”的重要途径。为了给工业应用提供理论指导，开展ZnZrO?固溶体催化剂在CO_2加氢制甲醇中的工艺条件优化研究，【方法】本文采用球磨法制备ZnZrO?催化剂，通过固定床反应器系统考察不同反应温度、压力及空速对催化剂加氢性能的影响。结合原位红外光谱分析反应路径，分析最佳工况下不同H_2/CO_2摩尔比对催化剂加氢性能的影响，并引入疏水剂聚二乙烯基苯与催化剂物理混合，研究其对催化剂加氢性能的优化作用。【结果】结果表明，优化后的最佳工艺条件为：温度320℃、压力5 MPa、空速24 000 mL/（g_(cat)·h），此时CO_2转化率为5.1%,CH_3OH选择性72.2%,CH_3OH产率约为80.0 mg/（g_(cat)·h）。在最佳工艺条件下，H_2/CO_2摩尔比从3增至9时，CO_2转化率提高至12.9%,CH_3OH产率提升145.8%；原位红外表明高氢碳比加速甲酸盐中间体形成，促进CH_3OH生成。引入疏水剂聚二乙烯基苯（质量比1:1）后，催化剂疏水性增强，水产物快速排出，CH_3OH产率在320℃下达到414.0 mg/（g_(cat)·h），较未添加时提升显著。ZnZrO?催化剂在优化工艺条件下表现出高效CO_2加氢性能，疏水剂聚二乙烯基苯的引入进一步提升了CH_3OH产率。【结论】研究结果为工业中CO_2资源化利用及催化剂设计提供了重要参考。
2025年03期 v.41;No.200 405-412页 [查看摘要][在线阅读][下载 1217K] [下载次数：80 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 杨建辉;李含;程茜;周梅;赵建新;徐光辉;俞润炜;
目的】为了明确废催化剂再生废水排放和回用的有害金属离子含量指标，提出废水循环利用解决方案，本文对某燃煤电厂废脱硝催化剂再生过程中产生的超声废水和酸洗废水进行了研究。【方法】首先连续清洗废催化剂模块，对产生的超声废水和酸洗废水进行成分检测并分析废水的特点；其次采用浸渍方法模拟毒化新脱硝催化剂，研究废水中金属离子的累积规律和有害金属离子在催化剂表面的吸附规律，对毒化后催化剂表面吸附的金属离子含量与催化剂脱硝效率之间的对应关系进行研究。【结果】研究表明，连续清洗时，当清洗到25个催化剂模块后，清洗液中各金属离子含量在固液界面上达到吸附-溶解平衡；清洗到80个催化剂模块时，清洗液的清洗效果明显变差，废液会对化学中毒程度小的催化剂造成污染；废液中Fe离子浓度大于1.0%以上时，催化剂的脱硝效率降低到50%左右，几乎不再发生变化；溶液中Cr离子浓度从1.0%增加到3.0%时，催化剂的脱硝效率逐渐增加后趋于稳定。【结论】因此，再生废水中Fe、Cr元素对催化剂脱硝效率的影响几乎可以忽略不计。当K、Na、Ca、Pb、Hg、As浓度分别达到0.700%、0.500%～0.600%、0.100%、0.045%、0.400%～0.500%和0.020%时，需要及时对超声废水与酸洗废水进行脱盐或其他处理，以保证催化剂再生清洗活化效果。
2025年03期 v.41;No.200 413-425页 [查看摘要][在线阅读][下载 1373K] [下载次数：30 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ]
- 李勃森;胡锦桥;喻斌恺;黎晔;王卉;张胜利;陈明哲;
【目的】在能源结构向低碳化转型的背景下，电化学储能技术凭借其高效能量转换效率，已成为推动可再生能源规模化应用的关键支撑。然而，极端环境下储能器件的性能退化问题，显著限制了其实际应用潜力。为系统研究极端环境对电化学储能材料及器件的关键影响机制，提出针对性优化策略，提升储能器件的极端环境适应性。【方法】本文系统梳理了极端环境对电化学储能材料及器件的关键影响机制，通过分析低温、高温、电解质及高盐度四类极端环境的作用机理，聚焦于四类优化策略：低温电解液改性、耐高温电极材料开发、仿生界面缓冲结构构建及抗盐腐蚀材料研发。【结果】改性策略显著提升了储能器件的极端环境适应性：1）低温电解液改性，基于深共晶溶剂与高浓度锂盐的电解液，在-50℃下实现离子电导率4.8 mS/cm，循环效率达92%;2）耐高温材料开发，钠超离子导体型复合正极在80℃下循环500次后容量保持率为91.3%;3）界面工程优化，仿生梯度缓冲层设计使电极在15 MPa机械应力下界面分层率降低67%，循环寿命延长3倍；4）抗盐腐蚀材料，疏水性二维新型材料（MXene）/聚合物复合涂层在高盐度环境中将腐蚀速率抑制至0.02 mm/a，电化学效率衰减率下降58%。【结论】未来研究应聚焦零应变合金电极、仿生离子通道电解质等关键材料，构建多尺度失效分析模型与标准评估体系。通过跨学科融合，推动电化学储能技术从实验室向深海、深空等极端环境规模化应用，支撑全球能源转型。
2025年03期 v.41;No.200 426-436页 [查看摘要][在线阅读][下载 1465K] [下载次数：69 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 刘玉龙;曹仁可;夏继岩;王家顺;刘秀珍;刘朝孟;高宣雯;
[目的]钠离子电池(sodium-ion batteries,SIBs)因钠资源丰富、成本低、安全性高,被视为锂离子电池的潜在替代技术。然而,其在低温环境(如-20℃)下的容量衰减、充电效率下降等问题严重限制了其应用。本文综述了高比能钠离子电池正极材料的研究进展,分析其低温性能衰退机理,并探讨通过材料改性提升低温性能的策略,为钠离子电池在储能等极端环境下的应用提供理论支持。[方法]系统分析了过渡金属氧化物、聚阴离子类材料和普鲁士蓝类似物三类主流正极材料的低温性能限制及失效机理,包括低温下电解液黏度增加、电极材料结构收缩、界面阻抗增大等问题。聚焦三种改性策略:表面包覆、离子掺杂和微观结构调控;[结果]研究表明,改性策略显著提升了正极材料的低温性能:1)表面包覆:AlO_x包覆的03-NaMn_(0.6)Al_(0.4)O_2(NMA@AlO_x)在-20℃下循环100次后容量保持率达83.2%;碳包覆的Na_3MnZr(PO_4)_3@C-rGO在-15℃下放电容量达94.7 mA·h/g,循环1 500次后容量保持率79.6%;2)离子掺杂:Nb掺杂的P2-Na_(0.75)Ni_(0.31)Mn_(0.67)Nb_(0.02)O_2(P2-NaMNNb)在-40℃下以368 mA/g循环1 800次后容量保持率76%;K~+掺杂的Na_2KV_2(PO_4)_3在-25℃下容量保持72 mA·h/g,优于未掺杂材料;3)结构调控:具有(010)活性晶面的单晶03-NaCrO_2(NCO-AC)在-20℃下循环100次后容量保持率97.2%;普鲁士蓝/碳纳米管复合材料在-25℃、6C倍率下仍保持52 mA·h/g容量。[结论]钠离子电池正极材料的低温性能可通过表面包覆、离子掺杂和微观结构调控等策略显著提升。表面包覆改善界面稳定性,离子掺杂优化晶格动力学,微观结构调控增强离子扩散效率。然而,低温下电解液适配性、材料长期循环稳定性及规模化生产仍是挑战。未来需结合多学科技术,如电解液改性、多离子共掺杂等,推动高性能正极材料的开发与商业化应用,以满足极端环境下的储能需求。
2025年03期 v.41;No.200 437-452页 [查看摘要][在线阅读][下载 1782K] [下载次数：293 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 曹查理;曾凡乐;杨浩;王雪莹;刘朝孟;高宣雯;
【目的】回收废旧磷酸铁锂电池技术不仅能提取有价金属、减少资源浪费，还能缓解对进口锂资源的依赖，促进能源产业转型和技术进步。然而面对废旧锂电子电池的爆发式增长，如何更加高效地回收废旧磷酸铁锂电池成为了至关重要的问题，需要对回收机制及技术开展更加深入的研究。【方法】本文系统梳理并总结了废旧磷酸铁锂电池正极材料的回收利用最新研究进展，重点分析废旧磷酸锂铁电池预处理技术（放电、破碎、分离）和有价金属回收技术（火法、湿法、电化学、机械化学）的原理、优缺点及应用前景，并分析了磷酸铁锂正极材料原位再生的固相与液相工艺特点，探讨工艺的问题及挑战。【结果】研究表明，对于废旧磷酸铁锂电池的回收技术，各种方法各有优劣。回收技术中，火法工艺操作简单，但能耗较高；湿法工艺具有较高的回收效率，但试剂消耗大；电化学法虽环保高效，但设备成本较高；机械化学法操作较为简便，但对设备性能要求较高。此外，原位再生技术能够直接恢复废旧电池材料的电化学性能，但在成本控制和工艺效率方面仍存在一定挑战。不同预处理技术与回收工艺的结合进一步增加了成本、效率及技术复杂性。【结论】因此，为实现废旧磷酸铁锂电池高效、低成本和环保的回收，需要优化现有工艺或开发绿色、低成本的新工艺，以提升有价金属的回收率和再生材料的性能。此外推动回收技术的规模化和工业化应用，并制定和完善相关政策法规也是亟待解决的问题。本研究为实现电池产业的可持续发展提供参考。
2025年03期 v.41;No.200 453-466页 [查看摘要][在线阅读][下载 1374K] [下载次数：411 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 陈浮;梁华根;王圣;
[目的]为了提升锂-杂质空气电池的循环稳定性和环境适应性,系统总结Ru基催化剂在锂-杂质空气电池(Li-CO_2、Li-N_2、Li-SO_2)的应用进展,[方法]本文通过综述Li-CO_2、Li-N_2、Li-SO_2电池的反应机理,分析Ru基催化剂的设计策略,包括Ru单质、合金及单原子催化剂的溶剂热法、光诱导沉积法、原子级分散技术等合成方法,结合原位表征技术和理论计算评估催化剂的性能与反应路径。[结果]研究表明,Ru基催化剂显著降低了充电过电位并提升副产物的可逆分解能力。如Ru纳米粒子修饰的石墨烯在Li-CO_2电池中实现8 229 mA·h/g的高放电容量和3.8 V的低充电电压;RuCu合金催化剂将Li-CO_2电池的过电位降至0.98 V,循环寿命达180次;单原子Ru催化剂通过优化电子结构,进一步提升了CO_2还原/析出动力学。此外,Ru基催化剂在Li-N_2电池中展现出固氮潜力,在Li-SO_2电池中则通过抑制副产物积累延长循环寿命。[结论]Ru基催化剂通过调控电子结构、优化界面反应路径,有效解决了锂-空气电池因副产物导致的性能衰减问题。但贵金属成本高、资源稀缺等问题仍需通过开发合金化、单原子化及载体优化策略进一步解决。未来需深入探索Li-N_2和Li-SO_2电池的反应机理,并设计低成本、高稳定性的催化剂体系,以推动锂-空气电池在真实空气环境中的实用化。
2025年03期 v.41;No.200 467-476页 [查看摘要][在线阅读][下载 1355K] [下载次数：23 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 倪明龙;乐小龙;陈振乾;王磊;施娟;刘明涛;盛帮明;李晓琪;李志远;
【目的】针对热电联产系统在峰值负荷或极端环境下应急冷却需求激增、传统水蓄冷技术储能密度低以及有机相变材料热导率不足等问题，本研究旨在开发一种兼具适宜相变温度、高潜热与高热导率的复合相变材料（composite phase change material,CPCM），以提升系统热管理效率与能量利用率。【方法】本文以正辛酸（octanoic acid,OA）与月桂酸（lauric acid,LA）为基材，基于Schrader方程理论计算二元共晶配比，结合步冷曲线法、差示扫描量热法及熔融-凝固循环实验，筛选适用于5~8℃温域的共晶基液；进一步利用膨胀石墨（expanded graphite,EG）的多孔结构吸附特性制备OA-LA/EG复合材料，系统分析其相变温度、潜热、热导率及循环稳定性。【结果】研究表明，OA-LA质量比80:20的共晶基液相变温度为5.4℃，潜热为158.8 J/g；添加12 wt%EG后，复合材料的相变温度稳定于5.2℃，潜热为145.8 J/g，热导率提升至2.23 W/（m·K），较纯OA-LA提高约6倍，并显著抑制了过冷现象（过冷度≤0.2℃）。经1 000次循环后，潜热衰减率仅为13.2%，表现出优异的循环稳定性。【结论】OALA/EG复合材料凭借其适配的相变温度、高储能密度与快速热响应特性，为热电联产系统提供了高效的应急冷源解决方案，对提升系统运行稳定性与能源综合利用效率具有重要应用价值。
2025年03期 v.41;No.200 477-487页 [查看摘要][在线阅读][下载 1893K] [下载次数：55 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ]