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纳孔碳多尺度结构基元序构及H2SO4自解吸机制

批准号:
52076057
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
孙飞
依托单位:
学科分类:
燃烧学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
孙飞

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
中国发电煤耗每年近 20 亿吨,巨量燃煤造成的SO2污染与硫资源需求形成鲜明对比。纳孔碳高效脱硫及资源化需要两个尺度结构基元的协同:具有f碱性官能团分布的微孔结构基元是SO2吸附及催化氧化的场所;极性中孔结构基元为产物H2SO4迁移赋存提供空间。结构基元有序构筑有望实现产物H2SO4直接自解吸。基于此,本项目提出“纳孔碳多尺度结构基元序构及H2SO4自解吸机制”技术构想:通过有序分级结构直接模板复制或单一结构基元结构的桥键连接(微观上的序构形成宏观膜结构),实现碳基微孔结构基元与中孔结构基元的序构以及表面掺杂定向调控,从而实现吸附催化反应与产物迁移解吸两个过程的耦合、增强。通过对“微孔结构基元与中孔结构基元序构机制”以及“强化反应与输运的结构基元耦合机制”,两个关键科学问题的研究,提出强化碳纳孔空间内“反应+输运”的结构基元有序构筑策略,为发展低能耗、先进污染物资源化技术奠定理论基础。
英文摘要
China consumes nearly 2 billion tons of coal for power generation every year, and SO2 pollution caused by massive coal burning is in sharp contrast to the demand for sulfur resources. Efficient desulfurization and resource utilization using nanoporous carbon requires the cooperation of structural units in two scales: the microporous structure unit with the distribution of alkaline functional groups is the site for SO2 adsorption and catalytic oxidation; while the polar mesoporous structure unit provides space for the migration and storage of the product H2SO4. Ordered construction of the structure unit s is expected to realize the direct self-desorption of H2SO4. Based on this, we propose a technical conception of “Ordered construction of nanoporous carbon multiple structure units and H2SO4 self-desorption mechanism” : by directly copying the template with an ordered hierarchical structure or bridged bond connecting between each single structure unit (the microcosmic ordered construction forming the macroscopic membrane structure), the ordered construction of carbon-based microporous and mesoporous structure units, as well as the surface polarity oriented regulation, can be realized, in order to couple and enhance the two processes: adsorption and catalytic reaction, and migration and desorption of products. By exploring the two pivotal scientific problems of “ordered construction mechanism of microporous and mesoporous structure units” and “coupling and enhancing mechanism of structure units for reacting and transporting”,we suggest a strategy of strengthening the ordered construction of structure units for “reacting and transporting” in carbon-based nanoporous space,which will establish an important theoretical foundation for the development of low energy consumption and advanced pollutant recycling technology.
中国巨量燃煤造成SO2污染与硫资源需求形成鲜明对比,基于纳孔碳的硫资源化技术具有SO2可资源化利用、吸附剂可无害化循环的优势,是烟气脱硫的重要发展方向,但面临脱硫效率低、副产物H2SO4解吸难的瓶颈。本项目提出通过序构纳孔碳高活性微孔与通达中孔结构基元,协同强化SO2吸附转化与副产物扩散传质,实现SO2资源化与H2SO4自解吸的构想。围绕关键科学问题“强化反应与输运的结构基元协同耦合机制”和“微孔结构基元与中孔结构基元的序构机制”,本项目取得如下成果:..(1)针对碳材料微孔结构内SO2吸附转化缺乏本征、准确的描述准则,提出了基于亲电福井函数的全新活性描述符。相比原子电荷布居等传统描述符,此描述符考虑了纳孔碳内无定形碳畴尺寸效应,能更准确预测微孔内掺杂引发的吸附催化活性。基于此描述准则指导制备的氧掺杂活性焦,SO2催化氧化效率相比商用活性焦提升1倍以上。将此描述符拓展至O2电还原制H2O2领域,选择性提升至接近100%。..(2)为实现脱硫纳孔碳水洗再生过程副产物H2SO4高效解吸,通过耦合量子化学-巨正则蒙特卡洛-分子动力学的多尺度模拟,探明了孔隙配组对H2SO4扩散传递的调控作用,首次发现了微孔-极性中孔配组引导的H2SO4自解吸效应。在此效应启发下,开发了基于分级孔碳的低能耗水洗再生新策略,相比于采用微孔碳的传统水洗再生技术,再生效率由55%提升至90%以上。..(3)基于上述研究结果,针对SO2高效吸附转化与H2SO4自解吸对纳孔碳多尺度结构基元序构需求,提出了基于微量碱金属盐催化活化的微孔与中孔结构基元定向配组策略。基于此策略仅添加不到1 wt%的碱金属盐,就可获得比表面积超过1200 m2 g-1、中大孔占比接近40%的分级孔碳。在此基础上发展了协同电力生产的分级孔碳低成本制备技术,实现了200 kg/d的中试生产,制备的分级孔碳成本仅为商用活性焦的三分之一。..本项目研究成果为开发低能耗、先进污染物资源化技术奠定理论基础,形成的纳孔碳多尺度结构基元单独及协同调控方法对于CO2捕集及资源化、能质储运强化具有普适性的借鉴意义。
活性焦孔结构分级官能化构筑及SO2/VOCs协同吸附机制
  • 批准号:
    51806050
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    孙飞
  • 依托单位:
国内基金
海外基金