课题基金 / 基金详情

基于废气动能收集系统的自驱动碳氮联合固定实现尿素合成的研究

批准号:
22109051
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
韩凯
依托单位:
学科分类:
机械能能源化学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
韩凯

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
本项目以工业废气为应用对象,从能源和环境两个角度出发,围绕如何将残余机械能高效转化为电能和减少温室气体排放两个核心问题,逐步开展研究。拟通过构建一个完整的自驱动合成尿素系统,实现废气中残余动能利用的同时,在环境条件下固定其中的二氧化碳和氮气并最终获取尿素。本项目将探索气体动能到转动动能再到电能的能量转化规律,建立各级能量转换效率模型,并根据碳氮联合固定中的反应,探索相应的高效能量管理电路,解决其中的能量匹配利用问题。此外,将深入研究放电固氮合成氨的反应机理和提高转化效率的方法,并探索制备适用于二氧化碳和氨合成尿素的高效催化体系。本项目通过构建自驱动合成系统,为能源再利用和降低温室气体排放提供了一条新的思路。此外,环境条件下高价值产物—尿素的获得进一步提升了该方法的应用潜力。
英文摘要
This project focuses on the industrial exhaust gas as the application object, and will gradually carry out research on the two core issues of how to efficiently convert residual mechanical energy into electric energy and reduce greenhouse gas emissions, from the perspectives of energy and environment. It is proposed to build an integral self-powered urea synthesis system to realize the reuse of residual kinetic energy in the exhaust gas and the fixation of carbon dioxide and nitrogen in it, and finally obtain the product of urea at ambient conditions. This project will explore the law of energy conversion from gas kinetic energy to rotational kinetic energy and then to electric energy, establish the energy conversion efficiency model at all levels, and explore the corresponding efficient energy management circuit according to the reactions in the combined fixation of carbon dioxide and nitrogen to solve the problem of energy matching and utilization. In addition, the reaction mechanism of ammonia synthesis by nitrogen discharge and the methods to improve the conversion efficiency will be studied in depth, and the preparation of an efficient catalytic system suitable for urea synthesis from carbon dioxide and ammonia will be explored. This project provides a new solution for energy reuse and greenhouse gas emission reduction through the construction of a self-powered synthetic system. In addition, the application potential of this method is further enhanced due to the acquisition of high value product of urea.
当前,由于大量化石燃料燃烧导致了严重的环境污染和温室效应,基于环境能源利用的自驱动方法为能源和环境问题提供了新的解决途径。作为新技术代表的摩擦纳米发电机由于结构简单、廉价易制、输出高等优势,应用潜力巨大。因此,基于摩擦纳米发电机技术,本项目以废气中的动能作为能量收集对象,以二氧化碳作为处理对象,同时联合氮气共同进行固定,利用电化学反应以自驱动形式合成尿素这一高价值产物。. 首先,我们引入了用于机械能转化的阿基米德螺旋装置,同时筛选了高性能环保材料制备了软接触含刷高输出摩擦纳米发电机,以此构建高效废气动能收集系统,为二氧化碳和氮气的联合固定反应提供电能。然后,我们构建了匹配废气动能回收系统和自驱动尿素合成系统的能量管理模型及电路。利用双摩擦纳米发电机构型,在高压输出上,我们可以轻松实现10 kV级别电压;在电流上,我们可以实现A级的短路电流以及100 mA级别的电化学负载电流。不仅如此,基于高性能的摩擦纳米发电机,在模拟动力条件下我们可以实现对商用程序电路板的无电池驱动以更好地控制合成系统。接下来,我们利用针-板结构高压放电固氮获得了50 mg/L浓度级别的硝酸根,同时引入了以单原子催化剂和纳米催化剂用于自驱动电化学尿素合成。在模拟条件下,我们成功实现了44.5 µg/h和53.3 µg/h的尿素合成。. 本项目为能源再利用和缓解二氧化碳温室效应提供了新的解决方案,在环境条件下成功自驱动电化学合成尿素进一步提升了摩擦纳米发电机的应用潜力,也为更多机械能收集和电化学应用场景提供了参考。
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