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研究论文
三明治结构高性能锂离子电池碳/氧化亚硅@石墨烯负极材料
李兆麟, 杨耀宗, 王捷, 杨朝, 赵海雷
, doi: 10.1007/s12613-022-2526-0
摘要:
氧化亚硅因其高理论比容量和丰富自然资源被认为是下一代高比能量锂离子电池负极材料之一。然而,氧化亚硅在充放电过程中由于较大体积变化引起电极结构不稳定,造成性能的衰减。本研究提出一种碳包覆层–氧化亚硅–石墨烯的三明治结构,有效提高氧化亚硅负极材料在充放电过程的结构稳定性。石墨烯和碳包覆层构建出一个围绕氧化亚硅颗粒的三维电子传输网络,不仅提高材料的电极反应动力学过程,而且能均化材料表面的局部电流和电极反应程度,实现材料体积的均匀变化。此外,存在于氧化亚硅和石墨烯之间的硅–氧–碳键可以增强颗粒在石墨烯片层上的附着强度,防止氧化亚硅在嵌脱锂过程中从石墨烯上脱落。得益于上述结构优势的协同作用,碳/氧化亚硅@石墨烯材料表现出优异的循环稳定性,在0.1 C倍率下循环100圈后比容量为890 mAh/g,容量保持率为73.7%。另外,材料经历前35圈电流密度从0.1 C到5 C的逐步上升的充放电循环后恢复到0.1 C的低电流后,仍表现出886 mAh/g的可逆比容量,对应容量恢复率93.7%,表明材料的倍率性能优异。该研究提供一种提高高容量型锂/钠离子电池负极材料结构稳定性的新策略。
研究论文
氢气还原固/液态浮氏体等温动力学研究
张建良, 李洋, 刘征建, 王腾飞, 王耀祖, 李克江, 王桂林, 徐涛, 张勇
, doi: 10.1007/s12613-022-2518-0
摘要:
优化传统炼铁工序能源结构,实现炼铁工序低碳、绿色发展是当前钢铁行业亟待解决的问题。近年来,熔融还原炼铁工艺取得了长足的进步,发展氢基熔融还原炼铁工艺为实现低碳炼铁提供了新的可能性。相比于氢气还原固态浮氏体的研究而言,关于氢气还原液态浮氏体的研究(即气-液反应过程)尚不充分。因此,本文采用热重实验的方法对纯氢气还原固态和液态浮氏体的反应过程进行了研究。研究结果表明,反应物浮氏体和产物金属铁的物相状态对终还原转化率影响不大,均可完全还原,但当浮氏体和金属铁均为液态时的化学反应条件优于二者均为固态时,其反应速度更快。动力学模型拟合结果表明,纯氢气还原固态和液态浮氏体的反应过程均符合幂函数法则模型(Mampel Power,n = 1/2)。通过等转化率法对还原过程表观活化能进行了计算,当反应物浮氏体和产物金属铁均为固态时,平均表观活化能为5.85 kJ·mol−1;二者均为液态时,平均表观活化能为104.74 kJ·mol−1。可见当反应物浮氏体和产物金属铁均为液态时,还原反应发生所需能量明显增大,但此时反应速率变快。
研究论文
H2–CO混合气体与铁精矿的还原动力学机理分析
毛旭东, Pritesh Garg, 胡晓军, 李远, Samik Nag, Saurabh Kundu, 张建良
, doi: 10.1007/s12613-022-2512-6
摘要:
为了降低二氧化碳的排放量,氢气作为一种绿色清洁能源在替代部分碳质能源中扮演着越来越重要的角色,在钢铁行业中也引起了广泛的关注并成为了近年来的研究热点。本文使用了热分析仪研究了不同组分下的H2–CO混合气体对铁精矿的还原行为,并采用了显微组织观察、物相分析等手段研究了铁精矿样品反应前后的变化情况。研究结果表明,随着反应的进行,H2的分压对还原速率的影响逐渐增大。在1173和1373 K时,H2还原铁精矿样品的速率分别约为CO还原铁精矿样品的速率的3倍和4倍。在还原反应后期,平均还原速率的对数与混合气体的成分之间成一定的线性关系。此外,H2在1023 K时能够促进碳的沉积。随着H2含量从20vol%增加到100vol%,还原阶段的表观活化能从约35.0增加到45.4 kJ/mol。这一发现表明,该阶段可能的控速环节为气体扩散和界面化学反应相结合的混合控速。
研究论文
预氧化磁铁矿颗粒在氢基流化床中的流化行为及还原动力学研究
郑恒, Oday Daghagheleh, Thomas Wolfinger, Bernd Taferner, Johannes Schenk, 徐润生
, doi: 10.1007/s12613-022-2511-7
摘要:
欧盟(EU)的目标是在2050年实现碳中和,目前,炼钢行业仍然是欧洲主要的二氧化碳排放行业之一,其排放量占欧盟二氧化碳排放总量的4%。因此,为了避免二氧化碳的产生,使用氢气还原铁矿石生产直接还原铁(DRI)受到了越来越多的关注。我们之前的研究显示,在还原过程中由于磁铁矿颗粒表面会形成致密的铁壳,使其表现出较差的流化性和还原性。磁铁矿预氧化处理后,会显著改善它的流化性。本文探究了不同预氧化温度和预氧化程度对磁铁矿颗粒在氢基流化床内流化和还原行为的影响。通过光学显微镜和电子扫描显微镜(SEM)表征了还原后颗粒的显微结构和形貌,并探究了还原过程中的动力学反应机理。结果表明,较高预氧化温度(1000°C)处理后的磁铁矿颗粒表面较为平坦,表现出较好的流化行为。较低预氧化温度(800°C)处理后的磁铁矿颗粒表面形成显著的赤铁矿晶须,其流化性有所降低;但其表现出更好的还原性,特别是在还原后期。磁铁矿的预氧化程度对流化和还原行为没有明显影响。动力学分析表明,较高预氧化温度处理后的磁铁矿颗粒,在还原后期,其还原速率受铁离子扩散速率影响。较低的预氧化温度能改善铁离子的扩散,进而提高还原后期的反应速率。
研究论文
气基竖炉典型气氛下球团直接还原膨胀行为
赵子川, 唐珏, 储满生, 王新东, 郑艾军, 王小艾, 李洋
, doi: 10.1007/s12613-022-2494-4
摘要:
氢基竖炉工艺因其低碳排放而受到越来越多的关注,含铁炉料的还原行为对其运行有着显著的影响。本文深入研究了典型氢冶金条件下还原度、温度和气氛对球团膨胀行为的影响。结果表明,球团在还原初期迅速膨胀,然后在还原度约为40%时达到最大还原膨胀指数(RSI)。还原过程中氧化铁的结晶转变是球团膨胀的主要原因。在850–1050°C范围内,RSI随着温度的升高而显著增加,在100%H2的气体成分中,最大RSI从6.66%增加到25.0%。随着还原温度的升高,球团受到更大的热应力,导致体积增加。在950°C的温度下,随着H2在还原气中的体积比从55%增加到100%,最大RSI从19.78%下降到17.35%。金属铁倾向于以层状结构生长而不是铁晶须形貌,因此,颗粒内部变得规则,RSI降低。总之,控制合理的温度和增加还原气H2比例是降低球团RSI的有效方法。
研究论文
工业铁矿石球团的氢基直接还原:统计设计实验与计算模拟
Patrícia Metolina, Tiago Ramos Ribeiro, Roberto Guardani
, doi: 10.1007/s12613-022-2487-3
摘要:
氢基直接还原还原被认为是减少炼钢行业人为 CO2 排放的重要发展方向之一,本文使用 Doehlert 实验设计研究了工业生产的赤铁矿球团与 H2 的直接还原,以评估球团直径 (10.5–16.5 mm)、孔隙率 (0.36–0.44) 和温度 (600–1200°C)。观察到温度和颗粒大小之间的强烈交互作用,表明这些变量不能独立考虑。温度的升高和颗粒尺寸的减小有利于降低率,而孔隙率没有显示出相关的影响。还原过程中粒料尺寸的变化可以忽略不计,除非是在高温下由于裂纹形成,才会产生较大的尺寸变化。高温下机械强度的显着降低表明了氢基直接还原直接还原工艺操作最高温度为 900°C。本文使用改进的晶粒模型来模拟三个连续的非催化气固反应,同时考虑到了不同的颗粒尺寸和孔隙率,以及在 800 到 900°C 的反应过程中的变化,实现了良好的预测能力。然而,对于其他温度,在建模中还必须考虑不同的结构变化机理。这些结果对开发用于无二氧化碳炼钢技术的球团矿做出了重大贡献。
研究论文
Effect of FeO concentration in sinter iron ore on reduction behavior in a hydrogen-enriched blast furnace
Ko-ichiro Ohno, Takayuki Maeda, Kazuya Kunitomo, and  Masashi Hara
, doi: 10.1007/s12613-022-2480-x
摘要:
研究论文
纯氢还原工艺的工业应用前景及关键问题
王磊, 郭培民, 孔令兵, 赵沛
, doi: 10.1007/s12613-022-2478-4
摘要:
为了促进铁矿石纯氢还原工艺的发展,通过理论分析和计算方法,对纯氢还原工艺的基础理论和应用中的关键问题及工业应用前景进行了探讨。根据纯氢还原反应的热力学和动力学讨论结果可知,纯氢还原氧化铁的反应是吸热反应,氢还原的反应速率明显快于碳还原。参考工业化的富氢还原工艺,选择并设计了纯氢还原反应器和工艺,并提出了适当提高还原温度、压力和温度的方法,以加快铁矿石的反应速度,促进氧化铁的还原。对工程应用中的关键技术参数,如氢气消耗量、循环气量和热平衡,进行了理论计算,并提出了优化参数值。对目前各种制氢方法的工艺参数、成本、优缺点的对比结果表明,天然气重整制氢具有良好的发展前景。通过对高温高压氢对耐热钢材料的腐蚀机理和H2S在氢气中对钢的腐蚀机理的探讨,提出了开发新型金属耐温材料、金属涂层材料及控制气体成分的方法,可指导加热器和反应器材料的选择。最后,分析了工程应用中影响氢还原过程平稳运行的关键因素,为纯氢还原过程的工业应用提供了参考。
研究论文
模拟注氢对高炉运行和二氧化碳排放的影响
Volodymyr Shatokha
, doi: 10.1007/s12613-022-2474-8
摘要:
本文采用用一维稳态区域模型模拟了氢气注入对高炉运行和二氧化碳排放的影响。在高炉垂直温度模式模拟的基础上,以热储备区为重点,评估了最大注氢速率。本研究还检查了鼓风温度氧气浓度对焦炭置换率、生产率、氢气利用效率和二氧化碳减排的影响。在鼓风温度为1200°C,富氧量为2vol%和12vol%时,最大氢气注入速率分别为每吨铁水(HM)注入19.0和 28.3千克的H2。结果表明,焦炭替代率为每千克H2 3到4 千克的焦炭,直接CO2排放减少10.2%到17.8%,根据氧富集水平的不同,生产率最高可提高13.7%。提高鼓风温度进一步减少了二氧化碳的直接排放。氢气利用度达到最大值0.52–0.54 H2O/(H2O + H2)。氢气注入的脱碳潜力估计在每吨H2 9.4吨CO2到9.7吨CO2之间。为了经济可行性,注氢需要在低成本制氢方面取得革命性进展,除非技术变革是由碳排放成本推动的。氢气注入可能会对滚道的径向温度模式产生不利影响,这可以通过采用适当的注氢技术来解决。
特约综述
氢等离子体还原赤铁矿:我们现在在哪里?
Kali Charan Sabat
, doi: 10.1007/s12613-022-2467-7
摘要:
目前,铁是通过碳热还原从赤铁矿等矿石中提取的。提取过程包括几个需要大型设备和大量财务投资的单元步骤/过程。此外,提取过程会产生大量有害的二氧化碳 (CO2)。碳热还原的替代方法是氢等离子体(hydrogen plasma, HP)的还原。 HP 主要由激发态原子分子的物质组成,它们通过提供热力学和动力学优势促进赤铁矿的还原,即使在低温下也是如此。除了这些优点之外,HP 还原赤铁矿还可以产生水,这对环境是有益的。本报告回顾了HP还原赤铁矿的理论和实践。此外,还研究了通过 HP 还原固态和液态赤铁矿的现有技术。 通过HP在线还原赤铁矿已被确定为碳热还原的潜在有希望的替代方案。然而,在氢等离子在线还原仍然受到热HP中温度过高和非热HP中相当大的真空成本等问题的困扰。这些问题可以通过使用显著偏离局部热力学平衡的非热常压 HP来克服。
700C氢基直接还原氧化铁:球团与微观组织尺度的异质性
马焱, R. Souza Filho Isnaldi, 张雪, Nandy Supriya, Barriobero-Vila Pere, Requena Guillermo, Vogel Dirk, Rohwerder Michael, Ponge Dirk, Springer Hauke, Raabe Dierk
, doi: 10.1007/s12613-022-2440-5
摘要:
由于使用含碳物质作为铁矿石还原的还原剂以及燃料,钢铁生产过程排放了所有工业二氧化碳排放量总和的三分之一,使其成为全球变暖的关键驱动因素。因此,众多研究工作旨在研究用绿色氢气代替含碳还原剂还原铁矿石。氢基直接还原是一种有吸引力的加工技术,因为直接还原炉在钢铁行业中已被广泛应用,虽然目前甲烷和一氧化碳作为主要还原剂。相比于碳基还原剂,氢气在竖炉球团团聚体的扩散速度快得多。然而,对于大量钢铁生产需求,氢基直接还原的还原动力学仍然非常缓慢,并且氢气消耗量大大超过了化学计量所需的量。因此,本研究的重点是更好地理解铁矿石球团空间梯度、形貌和内部微观结构对氢基直接还原过程中还原效率和金属化率的影响。为此,本研究工作使用了同步辐射加速器高能X射线衍射和电子显微镜以及电子背散射衍射和能量散射X射线谱技术对商业化直接还原球团矿进行了研究。本研究揭示了不同相界面、自由表面及其相关的成核和生长机制的相互作用,为开发快速高效、更适合氢基直接还原的铁矿石球团提供了基础。
研究论文
模拟的富氢高炉条件下铁焦气化与铁焦与焦炭共气化行为的研究
祝凯, 陈珠明, 叶水鑫, 耿淑华, 张玉文, 鲁雄刚
, doi: 10.1007/s12613-022-2429-0
摘要:
氢冶金是实现低碳排放目的有效方法,为探索铁焦在富氢高炉中的应用,本文系统研究了铁焦在CO2和H2O(g)+CO2气氛中的初始气化温度及其与焦炭的共气化反应机理。以焦煤和铁矿粉为主要原料,在实验室制备适用于富氢高炉气氛的铁焦。 采用焦炭反应性(CRI)和反应后强度(CSR)测试了铁焦的性能,并通过SEM和XRD讨论了铁焦与焦炭气化过程中物相和形貌的演变。实验结果表明,在CO2和H2O(g)气氛下,随着铁矿粉含量的增加,铁焦的初始气化温度降低;在40vol%H2O+60vol%CO2气氛下,添加3wt%铁矿粉的铁焦CRI达到58.7%,CSR达到56.5%。 由于铁的催化作用,铁焦的反应能力大于焦炭,铁焦优先气化而导致CRI降低,铁焦和焦炭共气化时CSR增加。铁焦可以保护焦炭的骨架功能。
研究论文
Ti–6Al–4V合金微弧氧化膜在磷酸盐/硅酸盐电解液中的生长动力学过程及其机理
翟大军, 邱涛, 沈骏, 冯可芹
, doi: 10.1007/s12613-022-2413-8
摘要:
微弧氧化(Microarc oxidation,MAO)是一种有效的钛合金表面处理方法,可使处理后的金属在极端环境中得到广泛应用。本文中,我们设计了Ti–6Al–4V合金在由不同占比的磷酸钠和硅酸钠组成的二元电解液中的MAO实验。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪和动电位极化测试系统观察和测试了MAO涂层的表面形貌、成分和性能,以揭示PO43-$ {\text{SiO}}_3^{2 - }$离子对MAO涂层生长动力学的影响。结果表明,PO43-离子有利于在涂层内部产生微弧和孔隙,从而促进厚且多孔涂层的形成。$ {\text{SiO}}_3^{2 - }$离子有利于外部沉积层内孔隙的堵塞而阻碍微弧的产生,从而促进薄且致密涂层的形成。MAO涂层的厚度、密度、相含量和极化电阻主要受到放电微弧强度和数量的影响。在微弧放电过程中,在P/Si二元电解液中获得的MAO涂层的厚度随着处理时间的增加呈分段线性增长。另外,$ {\text{SiO}}_3^{2 - }$离子在MAO过程中的沉积增加了涂层致密度,从而导致下一阶段涂层的生长速率显著降低。
研究论文
原位复合纤维强化AgCuNiCe合金制备过程的组织性能演变
何兴群, 付华栋, 谢建新
, doi: 10.1007/s12613-022-2412-9
摘要:
银合金是重要的低压和中压电接触材料,力学与导电性能的协同调控一直是银合金电接触材料领域的关键挑战和重点发展方向。本文提出了采用原位复合纤维强化方式调控Ag–11.40Cu–0.66Ni–0.05Ce (质量分数)合金力学与导电性能的思路,明确了原位复合纤维强化合金制备过程的组织性能演变规律。采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)和电子背散射衍射(EBSD)对不同变形阶段的微观组织进行了观察。研究结果表明,本文提出的方法可以实现原位复合纤维强化Ag–Cu–Ni–Ce合金的制备。大变形量拉拔后,纤维直径约为100–200 nm,合金室温硬度由铸态的HV 81.6提升到HV 169.3,导电率由铸态的74.3% IACS提升到78.6% IACS。随着变形量的增加,合金表现出两种不同的强化机制,电导率显示出三个阶段的变化速率。相关研究通过原位复合纤维强化机制的引入,实现了银合金电接触材料强度和导电性能的同时提升,为制备高性能银合金电接触材料提供了新的思路。
无取向硅钢冲裁过程中的组织和织构演变
方祥, 王玮, François Brisset, Anne-Laure Helbert, Thierry Baudin
, doi: 10.1007/s12613-021-2404-1
摘要:
无取向硅钢是电机铁芯所需要的重要软磁材料。目前,生产过程中主要借助冲裁工艺制备电机铁芯的叠片。冲裁工艺会使得无取向硅钢的切割边缘产生形变,从而导致其织构发生演变,进而影响叠片的磁性能。本文旨在研究无取向硅钢冲裁边缘的塑性形变机制,组织及织构演变机理。为了方便研究,本文首先借助钝化模具制备了在冲裁边缘具备较宽变形区域的圆形样品。随后,沿板材轧制方向和横向在圆形样品的冲裁边缘分别选取了一个观测点,并借助电子背散射技术(EBSD)分析了两个观测点的形变机制,组织和织构演变。研究表明两个观测点的形变机制和组织演变相似。由于形变机制相同,样品冲裁边缘两个观测点的织构演变规律也相似。钝化模具使得样品冲裁边缘明显的分为无弯曲,连续弯曲和整体弯曲三个区域。无弯曲和连续弯曲区域的主要形变机制是位错滑移,这一机制促进了{221}纤维织构的形成。整体弯曲区域主要处于冲裁边缘的端部,该区域的形变机制包括位错滑移和微观剪切带的形成,其中微观剪切带的形成导致该区域的织构由原始{111}纤维织构发生向{110}纤维织构的转变。
研究论文
新型高剪切制粒工艺参数对铁矿石颗粒长大行为及粒度分布的影响
游洋, 郭家宝, 李刚, 郑壮, 李永, 吕学伟
, doi: 10.1007/s12613-021-2407-y
摘要:
随着优质铁矿资源的减少,一些低品位铁矿逐渐进入人们的视野。这类矿石由于经历了选矿过程,导致其粒度较小。在传统的圆筒制粒工艺中,水分难以在细粒度的精矿表面均匀分布,从而导致制得的准颗粒粒度偏析严重,影响了烧结料层的透气性。为了解决这个问题,本文提出了一种新型的卧式高剪切制粒工艺,将颗粒在传统圆筒中的二维受力变化为轴向和径向的三维受力,从而提高烧结原料颗粒的混匀和制粒效果。本文首先分析了烧结混合料颗粒在新型高剪切制粒机中的长大过程以及形成的准颗粒结构,发现准颗粒粒度先随制粒时间的增加逐渐长大,但制粒时间超过35 min后粒度几乎保持稳定。准颗粒结构主要分为三类:无核颗粒、单核颗粒和多核颗粒,其中单核颗粒是最常见的准颗粒结构。水分促进了颗粒的聚结长大,当前原料条件下8.8wt%的水分能够得到最优的制粒效果。增加形核颗粒的比例虽然导致准颗粒粒度有所增加,但是实际的颗粒长大指数却是逐渐降低。同时,增加精矿比例也会导致准颗粒粒度以及料层透气性等指标变差。尽管如此,高剪切制粒工艺的制粒效果仍优于传统圆筒制粒工艺。
利用农业废弃物发酵产生的残渣提高低品位硫化铜矿生物浸出铜的回收率
陈威,  尹升华,  宋庆,  王雷鸣, 陈勋
, doi: 10.1007/s12613-021-2392-1
摘要:
生物浸出回收低品位硫化铜矿中的铜金属具有操作简单、低能耗、节约经济等优点,低品位硫化铜矿生物浸出效率低是其面临的主要问题之一。本文为了促进生物浸出效率,研究了农业废弃物发酵产生的残渣对低品位硫化铜矿石生物浸出、铜浸出率和细菌群落的影响。研究结果表明,添加适量农业废弃物发酵产生的残渣有助于低品位硫化铜矿的生物浸出,这主要是通过减少Fe3+水解形成的钝化层来实现的。浸矿过程中添加5 g·L1农业废弃物发酵产生的残渣后,铜浸出率提高到了78.35%,细菌浓度提高到了每毫升9.56 107个。同时,通过16S rDNA分析可知,添加农业废弃物发酵产生的残渣可以影响微生物群落。添加农业废弃物发酵产生的残渣后,各个实验样本间差异变大,最大值达到0.375。在生物浸矿实验过程中,添加5 g·L1农业废弃物发酵产生的残渣的实验样本中Acidithiobacillus ferrooxidans所占比例最高,达到了28.63%。
研究论文
高磷铁矿富氢烧结过程中磷的还原行为研究
陈衍彪, 刘文果, 左海滨
, doi: 10.1007/s12613-021-2385-0
摘要:
高磷铁矿石资源因其磷含量高、矿相结构复杂而被认为是一种难选铁矿石,因此寻找创新性工艺技术实现高磷铁矿资源的高效开发与利用具有重要的理论和实际意义。基于此,提出了富氢烧结过程中进行磷的气化脱除的方法。本文围绕高磷铁矿富氢烧结过程中磷的还原机理进行研究,并采用非等温动力学方法对富氢烧结过程磷灰石还原动力学进行研究。结果表明富氢烧结过程中,随着还原时间从20增加到60 min,脱磷率从10.93%升高到29.51%。随着磷灰石的还原,金属铁聚集,还原出的部分磷气体被金属铁吸收形成稳定的铁磷化合物,导致脱磷率降低。磷灰石还原主要集中在烧结矿带、燃烧带,还原出的磷气体挥发到该区域的烟气中在抽风负压的作用下向下移动,在经过生料层和过湿层时会被冷凝吸附在料层表面,导致气化脱除率大大降低。基于等转化率的Ozawa公式计算富氢烧结过程中磷灰石还原活化能为80.42 kJ/mol。磷灰石还原的机理函数由微分法(即Freeman–Carroll法)和积分法(即Coats–Redfern法)确定。方程的微分形式为f(α) = 2(1 − α)1/2,方程的积分形式为G(α) = 1 − (1 − α)1/2.
研究论文
利用异丁基碘化铵表面钝化法提高Cs0.1(CH3NH3)0.9PbI3钙钛矿太阳能电池的效率
Wakul Bumrungsan, Kritsada Hongsith, Vasan Yarangsi, Pisith Kumnorkeaw, Sukrit Sucharitakul, Surachet Phaduangdhitidhada, and Supab Choopun
, doi: 10.1007/s12613-021-2382-3
摘要:
本文通过使用异丁基碘化铵 (IBA)对Cs0.1(CH3NH3)0.9PbI3 薄膜进行表面钝化来提高Cs0.1(CH3NH3)0.9PbI3太阳能电池器件的效率。首先采用 FTO/SnO2/Cs0.1(CH3NH3)0.9PbI3(FTO,即氟掺杂氧化锡)和 IBA/Spiro-OMeTAD/Ag制备了n–i–p 结构的钙钛矿太阳能电池器件。然后,系统地研究了不同重量的 IBA 钝化对 Cs 掺杂钙钛矿太阳能电池 (PSC) 的影响,并与未钝化的器件进行了比较。研究发现,使用 5-mg IBA 钝化器件的功率转换效率 (PCE)为15.49%,高于非 IBA 钝化器件的12.64% 。同时,与 Cs 掺杂器件相比, 5-mg IBA 钝化器件的光伏参数明显得到改善。此外,晶体结构中PbI2相的减少、较低的电荷复合率、较低的电荷转移电阻和改善的钙钛矿薄膜接触角等结果进一步证实了IBA钝化器件具备更好性能。因此,对Cs0.1(CH3NH3)0.9PbI3进行 IBA 钝化是提高 Cs 掺杂钙钛矿太阳能电池效率的有前景的技术。
基于声发射检测的岩石材料非均质性评价与分类研究
张同钊, 纪洪广, 苏晓波, 由爽, 权道路, 张洲, 李金哲
, doi: 10.1007/s12613-021-2381-4
摘要:
对于深部岩石力学和地下工程而言,准确表征与评价岩石的非均质性,对于研究岩石在深部复杂环境下物理力学性质的变异性至关重要。由于岩石成分的复杂性和矿物分布的随机性,采用传统的图像观察方法难以准确的表述岩石的非均质性,因此,亟需寻找一种科学、实用的试验方法对岩石的非均质性进行表征评价。本文假设同种岩石具有相同的矿物几何特征及边界特征(即岩石的微观基质相同),岩石在破坏过程中强相矿物破坏的声发射信号相比于弱相矿物破坏的声发射信号较多。岩石巴西劈裂过程中轴线上的破裂可以近似的认为岩石内部强弱相矿物的依次破裂,通过统计不同应力阶段岩石的声发射信号特征可以间接的分析岩石内部强弱相矿物的差异性。基于此,通过定义岩石强弱相矿物占比及矿物空间分布的均匀性表征出了岩石的非均质性。之后选取不同特征变辉长岩和花岗岩验证了分析方法的科学性和实用性。最后,本文在岩石非均质性评价的基础上探究了岩石宏观力学参数与岩石非均质特征的相关性。单轴和三轴试验表明,岩石的峰值强度和弹性模量不仅仅与岩石强弱相矿物占比有关,也与岩石矿物空间分布的均匀性相关。
研究论文
釉层热处理温度对内墙砖结构与甲醛去除性能的影响
高如琴, 黄英蕊, 王恩会, 侯新梅, 潘璐, 李国亭, 刘秉涛
, doi: 10.1007/s12613-021-2359-2
摘要:
随着人们生活水平的提高,大量的石油产品及能够产生挥发性有机化合物的日用品、装饰品在装修中使用,室内空气质量受到严重影响,室内装修材料成为近年来的研究热点。本文旨在开发一种对室内甲醛去除效果好、使用方便、成本低廉的内墙材料。本文采用超细研磨、固相烧结和低温煅烧工艺,制备了不同釉层热处理温度的电气石/硅藻土基内墙砖,结合热重-差热分析、X-射线衍射和扫描电子显微镜等研究了材料的微观形貌与结构。以甲醛为目标降解物,考察釉层不同热处理温度下电气石/硅藻土基内墙砖对甲醛去除效果的影响。结果表明:随着釉层热处理温度的提高,硅藻土原始孔洞减少,比表面积和孔隙率下降,电气石结构发生变化。850°C时材料的表面结构稍有破坏,强度较高,对甲醛的去除效果较好,1 m3的环境舱内,300 min甲醛去除率达到73.6%;釉层热处理温度升温至950°C及以上,硅藻土和电气石结构遭到破坏,材料对甲醛的吸附和降解能力下降。
研究论文
基于阳极极化技术改善FeSi6.5钢的成形性能
赵冬, 叶丰, 刘斌斌, 杜好阳, Yaakov B. Unigovski, Emmanuel M. Gutman, and Roni Shneck
, doi: 10.1007/s12613-021-2356-5
摘要:
FeSi6.5钢是一种优异的软磁材料,然而较低的塑性使其加工成薄板或细丝非常困难。本文提出了一种改善FeSi6.5钢塑性和成形能力的新方法。在FeSi6.5钢受力变形时,对其实施阳极极化,利用化学力学效应促进其塑性变形。本文对在硫酸溶液中拉伸和拉拔变形的试样施以电流密度为0–40 mA/cm2的阳极极化电流,研究了阳极极化对FeSi6.5钢的室温塑性变形行为和成形性能的影响。结果表明,阳极极化后,FeSi6.5钢的塑性和成形性显著提高。经受阳极极化的试样的塑性伸长率为4.4%–7%,但在空气中仅为2.7%。与在去离子水拉拔相比,阳极极化下的拉拔变形抗力降低了12.5%–26%。软化效应主要归因于表面原子溶解降低FeSi6.5钢的加工硬化程度。采用Hollomon方程和Voce关系,结合Kocks–Mecking(K–M)方法,分析了FeSi6.5钢丝在阳极极化条件下的加工硬化机理。这些数据支持表面原子溶解促进位错滑移的观点。采用电化学法制备了FeSi6.5冷拔钢丝,五道次拉拔后钢丝表面光滑,延展性好,无裂纹,总截面积减少88%。阳极极化辅助拉拔是一种很有前途的加工硬脆金属材料的技术。
研究论文
镁掺杂氧化锰电极材料用于高性能水系镁离子二次电池
赵越, 王贝, 施敏杰, 安世博, 赵丽萍, 晏超
, doi: 10.1007/s12613-021-2346-7
摘要:
水系镁离子二次电池在低成本与高安全性储能设备中应用前景广阔。虽然氧化锰被认为是水系镁离子电池中一种有潜力的电极材料,但其电子导电性低和循环性能差的问题极大地阻碍了氧化锰电极材料实际应用。本文提出了一种新颖的氧化锰电极材料的镁掺杂工程技术,同时对构建的镁掺杂氧化锰电极材料的电子结构和电化学性能进行了深入研究。DFT理论计算证明了镁掺杂对调节氧化锰电子结构的重要作用,并且原位拉曼结果也证实了镁掺杂氧化锰在充放电过程中可逆的相变过程。因此,该电极材料展现出高比容量(419.8 mAh·g−1),以及优越的循环性能(1000次循环后容量几乎没有衰减)。基于这种镁掺杂氧化锰电极材料,我们成功组装了一种软包装型水系镁离子二次电池,该储能器件具有优越的电化学储能性能,实现了水系镁离子二次电池的高比能与长续航特性,揭示了其在高性能能源技术领域中的巨大应用潜能。
研究论文
Zr含量对Ti/Sn–Ru–Co–ZrOx电极电化学性能的影响
常麟晖, 陈胜, 谢雄辉, 陈步明, 乔海红, 黄惠, 郭忠诚, 徐瑞东
, doi: 10.1007/s12613-021-2326-y
摘要:
在MnCl2体系中电解锰具有槽电压低、可有效降低能耗、锰产品品质优良等优点,逐渐成为研究热点。然而阳极在氯离子体系中稳定性差、易失效是其面临的主要问题。本文通过热分解氧化法制备了梯度Zr元素改性的Ti/Sn–Ru–Co–Zr新型阳极。通过SEM(扫描电子显微镜)获取了涂层阳极的形貌特征。基于涂层的电化学性能测试及XRD(X射线衍射)测试研究并分析了Zr元素对电极性能的影响。当Sn–Ru–Co–Zr的摩尔比为6:1:0.8:0.3时,由于ZrO2纳米粒子的良好填充效果,涂层表面的裂纹最小,整体致密性最好。此外,通过此条件制备的电极在1mol% NH4Cl 和 1.5mol% HCl 溶液体系中具有最低的传质阻力和较高的析氯活性。通过加速寿命测试并根据经验公式计算可得,该电极的使用寿命可达3102 h,较无Zr电极提高11.87%。
研究论文
2205双相不锈钢在3.5wt% NaCl溶液中的微区电化学研究
蔡双雨, 卢可可, 李馨楠, 文磊, 黄菲菲, 金莹
, doi: 10.1007/s12613-021-2291-5
摘要:
双相不锈钢(DSSs)在服役期间会遭受各种局部腐蚀,如点蚀、选择性溶解、缝隙腐蚀等,定量化分析和掌握DSSs在微米甚至更小尺度上的微区电化学腐蚀行为及其相关机理具有重要的研究价值。本文采用扫描开尔文探针力显微镜(SKPFM)和能量色散光谱(EDS)测量来揭示DSS 2205微区奥氏体相和铁素体相的差异;采用传统的电化学阻抗谱(EIS)和动电位极化(PDP)方法分别在ϕ40和ϕ10 μm孔径的微孔上对不同相比例的DSS 2205进行了微区电化学表征。实验结果表明传统的电化学方法EIS和PDP只能用于DSS 2205的定性或半定量微区电化学表征。进一步地,我们采用实验室设计发展的优化的恒电量扰动法对DSS 2205进行微区定量化电化学表征。通过建立电化学界面电位脉冲电路,深入分析了该套暂态测试方法的适用条件。在ϕ10 μm的微孔上分别对不同相比例的DSS 2205进行了一系列的微区恒电量暂态测试,结果表明:随着奥氏体相比例的增加,微区体系的极化电阻呈线性增加。