1 1.中国石油大学(华东) 新能源学院, 青岛266580
2 2.山东能源集团有限公司新能源事业部, 济宁 273500
3 3.西安交通大学 材料科学与工程学院, 西安 710049
气体扩散层(GDL)是质子交换膜燃料电池(PEMFCs)的关键部件之一, 成本占燃料电池膜电极的40%~50%。开发低成本、高性能的GDL生产工艺, 可以降低燃料电池成本, 推动燃料电池商业化进程。本研究以纤维素棉布为原料, 通过铁基化合物的催化石墨化作用, 在较低温度(1500 ℃)下生成了一种高导电、高孔隙率的柔性生物质碳布。碳布由相互连接的微米级碳纤维组成, 形成了丰富的孔道, 其孔隙率为76.93%。经过铁基化合物催化, 碳纤维的表面原位生成了大量碳纳米管团簇, 增加了碳布的导电性, 使其平面电阻率降低至34 mΩ·cm, 垂直电阻率在 2 MPa压力下降低至2.8 mΩ·cm, 性能达到商业碳布的标准。生物质碳布作为气体扩散层的燃料电池在0.7 A·cm-2电流密度处功率密度达到0.4 W·cm-2, 超过了相同催化剂(Pt)负载量的商业碳布(0.34 W·cm-2)的电池功率密度。本研究制备的生物质碳布制备简单、价格低廉、性能优秀, 为开发低成本、高性能气体扩散层提供了新的思路。
生物质 碳布 碳纳米管 气体扩散层 燃料电池 biomass carbon cloth carbon nanotube gas diffusion layer fuel cell
1 湖南农业大学农学院, 湖南 长沙 410128 中国农业大学农学院, 北京 100193国家能源非粮生物质原料研发中心, 北京 100193
2 中国农业大学农学院, 北京 100193国家能源非粮生物质原料研发中心, 北京 100193
3 湖南省农业信息与工程研究所, 湖南 长沙 410125湖南省智慧农业工程技术研究中心, 湖南 长沙 410125湖南省产业技术基础公共服务平台, 湖南 长沙 410125
4 湖南农业大学农学院, 湖南 长沙 410128
5 王晓玉
检测生物质原料的灰分含量是高效转化能源的基础, 但传统高温灼烧法测试耗时长、 成本高, 而近红外光谱分析技术能够实现无损、 快速及低成本对未知样本定性或定量的分析。 以5个地点、 10种类型的1 465份生物质原料样品为研究对象, 应用“筛选分类集合法”将样品划分9个集合, 构建近红外光谱生物质样品灰分含量模型。 主要结果为: 玉米秸秆（M）、 小麦秸秆+玉米秸秆+棉花秸秆（WCM）和小麦秸秆+杂草+园林叶（WWL）主因子数分别为5、 6和6； M集合的交叉验证决定系数（R2cv）为0.975, WCM集合的预测决定系数（R2p）为0.983, 模型拟合度最高； 长白皮+棉花秸秆集合（WC）的均方根标准误差（RMSE）最小分别为0.588 7和0.486 4, M集合的交叉验证相对分析误差（RPDcv）最高为6.3, WCM集合的预测相对分析误差（RPDp）最高为7.8, 模型预测精度最高； M集合的交叉验证平均相对偏差ARDcv最小为6%, WCM集合预测平均相对偏差ARDp最小为8%, 木质（W）集合RMSECV/RMSEP为1.01, 模型稳健性最高； 9个生物质样品灰分含量集合模型的R2范围为0.753 8~0.979 4, 建模集与预测集偏差较小均具有较好的线性关系, 其中, H集合（R2=0.942 5）、 M集合（R2=0.979 4）和WCM集合（R2=0.978 7）其拟合度与线性关系最优； L集合（木材边角料）的R2最低, 其值为0.753 8, 判断影响的主要因素是样品中含有泥沙、 粘合剂和油漆等杂质。 为解决常见生物质发电厂原料检测评估问题, 利用9个生物质灰分集合模型对11种生物质样品计算平均相对偏差（ARD）进行预测评估, 草质样品模型预测效果好（ARD范围为3.7%~16.5%）。 应用“筛选分类集合法”划分样品集合来建立近红外光谱生物质灰分含量模型, 其拟合度、 稳健性和精确度都较全样品集合模型性能更高。
生物质样品 筛选分类集合法 近红外光谱技术 快速检测 模型构建 Biomass samples Screening classification set method Near-infrared spectroscopy Rapid detection Model construction 光谱学与光谱分析
2023, 43(10): 3143
海南大学材料科学与工程学院, 南海海洋资源利用国家重点实验室, 海口 570228
以木棉、硼酸(HBO3)、尿素(CO(NH2)2)为原料, 在氨气(NH3)气氛下通过高温反应制备了硼氮共掺杂生物质炭材料, 利用聚乙烯亚胺(PEI)对硼碳氮(BCN)材料进行处理, 得到PEI-BCN材料, 并研究了该材料的吸附性能。结果表明: 当反应温度为1 100 ℃时, 制备得到的BCN材料为多孔结构, 其平均孔径为11.0 nm; BCN材料的吸附能力优于生物质炭, 经PEI改性处理后, BCN材料的吸附性能得到大幅提高, 其对有机染料孔雀石绿(MG)的吸附量高达710.0 mg/g; PEI-BCN材料的吸附与准一级吸附动力学模型吻合, 其对MG的吸附属于Langmuir等温吸附。
硼碳氮材料 生物质炭 木棉 聚乙烯亚胺 高温反应 吸附 孔雀石绿 BCN material biochar kapok polythyleneimine high temperature reaction adsorption malachite green
1 青海民族大学土木与交通工程学院, 西宁 810000
2 兰州理工大学土木工程学院, 兰州 730050
为了解决废弃农作物青稞秸秆的资源处置问题, 将废弃青稞秸秆在室外自然焚烧后再经过煅烧及研磨处理, 从而制备成新型生物质硅掺合料。通过正交试验设计对青稞秸秆灰(HBSA)的制备条件及设计参数进行初步分析与二次验证; 采用响应面优化分析方法建立响应面预测模型, 对HBSA的制备条件进一步优化分析, 从而验证正交试验结果的合理性; 基于灰熵关联分析, 确定了HBSA的活性影响因素的主次关系; 采用多种微观测试技术对最优条件下制备的HBSA的微观结构进行测试分析, 进而揭示HBSA能够作为活性掺合料的原因。结果表明, 当二次煅烧温度为600 ℃、煅烧时间为2 h、研磨时间为2 h时, HBSA的活性最高, 相对活性指数高达1.06。响应面优化方法能够有效用于HBSA的活性制备参数设计, 响应面预测模型具有较高的预测精度, 较好地验证了正交试验结果的准确性。煅烧温度的灰熵关联度最大, 应作为HBSA制备过程中的首要控制因素。HBSA具有较细的粒度、较大的比表面积和较高的活性SiO2含量, 有效促进了HBSA的活性效应。
生物质硅 掺合料 活性效应 正交试验 响应面优化 灰熵关联分析 微观结构 biomass silicon admixture active effect orthogonal test response surface optimization grey entropy correlation analysis microstructure
华北电力大学环境科学与工程系，河北 保定 071000
不可再生资源的损耗和环境问题的日益严峻引起了人们的广泛关注，针对这些问题，生物质能和太阳能等可再生资源的开发利用尤为重要。光催化技术在生物质的应用方面符合社会可持续发展的要求，本文综述了生物质改性光催化剂和生物质参与光催化重整反应的研究进展。重点介绍了生物质改性光催化材料参与光催化反应的作用机制，分析了生物质和生物质衍生基质在光催化重整反应体系中的效用，阐述了采取的制备方法、表征手段以及生物质与光催化反应体系的构效关系，并提出了目前生物质在光催化体系中的应用存在的一些问题及未来的发展方向。
光催化 生物质 生物质衍生基质 可持续 photocatalysis biomass biomass-derived substrates sustainable
1 中国科学院理化技术研究所 光化学转换与功能材料重点实验室，北京 100190
2 中国科学院大学 未来技术学院，北京 100049
3 西北工业大学 柔性电子前沿科学中心，陕西 西安 710129
随着细菌耐药性的不断播散，尤其是“超级细菌”的出现，临床可用抗生素药物越来越少，迫切需要发展新的高效、低毒和无耐药性的抗菌材料和技术。本研究采用生物质绿茶作为碳源，通过溶剂热法，成功制备了具有光动力治疗（Photodynamic therapy，PDT）性能的绿茶衍生碳点（T-CDs）。在660 nm激光照射下，所制备的T-CDs 能够有效产生活性氧。细胞和活体实验表明，T-CDs具有优异的生物相容性，且产生的活性氧能杀死耐甲氧西林金黄色葡萄球菌，从而通过降低细菌引起的伤口炎症，加速伤口愈合。本研究所制备的T-CDs能够通过PDT杀灭致病菌，促进感染伤口愈合，为开发抗生素替代药物提供了新的思路，同时对探索耐药菌感染伤口临床治疗新方案具有重要参考价值。
碳点 光动力治疗 耐药菌感染 生物质 carbon dots photodynamic therapy drug-resistant bacteria biomass
1 长安大学材料科学与工程学院, 西安 710064
2 西安交通大学金属材料强度国家重点实验室, 西安 710049
CO2捕集技术是当前应对全球气候变化、缓解温室效应的重要途径。利用含钙固体废弃物制备高效CaO基CO2捕集材料有利于实现固废资源高值化利用、以废治废和清洁生产, 具有重要的环境效益、经济效益和社会效益。基于固废源高效廉价CaO基CO2捕集材料的良好应用前景, 本文介绍了工业废渣、生物质和其他含钙固体废弃物的产生与资源化利用现状, 综述了CaO基吸附剂的捕集原理、碳酸化动力学过程和CO2捕集性能, 对比了以不同含钙固体废弃物为前驱体制备CaO基吸附剂的吸附-脱附循环性能和不同改性方法对其吸附稳定性的影响, 从经济角度分析了固废源CaO基吸附剂在钢铁厂、燃煤电厂和生物制氢中的应用潜力, 展望了固废源CaO基CO2捕集材料的应用前景和发展方向。该文旨在为固废源CaO基吸附剂前驱体的选择、吸附性能的提高和固废吸附材料的工业应用提供帮助。
CaO基吸附剂 CO2捕集 捕集原理 工业固体废弃物 生物质固体废弃物 资源化利用 CaO-based adsorbent CO2 capture capture principle industrial solid waste biomass solid waste resource utilization
1 中国地质大学 (武汉) 国家地理信息系统工程技术研究中心, 湖北 武汉 430074
2 中国地质大学 (武汉) 地理与信息工程学院, 湖北 武汉 430074
3 中国科学院地理科学与资源研究所 资源与环境信息系统国家重点实验室, 北京 100101
4 中国矿业大学 环境与测绘学院, 江苏 徐州 221116
针对不同土地覆盖类型特别是作物空间分布, 提出一种顾及火点像元地物类别先验概率的排放因子加权策略, 并结合热辐射功率 (FRP) 昼夜周期分布的假设, 建立了我国逐日 1 km 的田块尺度露天生物质燃烧氮氧化物 (NO x ) 遥感排放清单。为验证 FRP 昼夜周期分布假设的合理性, 与 Himawari-8 FRP 反演结果进行比较, 两者相关系数约为 0.65。 同时, 为验证排放清单的有效性, 将估算结果与全球火情数据库 (GFED)、湖北省内三个环境监测站点观测资料、臭氧监测仪 (OMI) 遥感观测数据等进行了对比验证。对比结果显示所建立的排放清单与其中两站点观测数据的相关系数分别为 0.56 和 0.65, 与 GFED 数据库以及 OMI 数据具有较好的一致性, 且具有更高的时空分辨率。
露天生物质燃烧 田块尺度 氮氧化物 排放清单 土地覆盖 open biomass burning field-level NO x emission inventory land cover 大气与环境光学学报
2022, 17(6): 655
1 1.中国石油大学(华东) 新能源学院, 青岛 266580
2 2.山东能源集团有限公司新能源事业部, 济宁 273500
3 3.西安交通大学 材料科学与工程学院, 西安 710049
碳材料以其低成本、良好的化学稳定性和热稳定性等优异特性被广泛应用于各种催化反应中。本研究利用来源广泛的天然脱脂棉为原材料, 通过原位气相掺杂的方法制备了N掺杂、B掺杂、BN共掺杂的生物质碳材料, 并将其应用在丙烷直接脱氢制丙烯反应中。研究发现, 与未掺杂的生物质碳相比, 杂原子掺杂的生物质碳均表现出更高的丙烷转化率和丙烯选择性, 而且N、B单独掺杂的生物质碳材料催化性能优于BN共掺杂的生物质碳材料, 其中N掺杂的生物质碳具有最优催化性能: 在600 ℃反应温度下, 丙烷转化率达到17.6%, 总烯烃收率达14.8%, 且经过12 h的脱氢反应后, 催化剂性能无明显的衰减。通过对这些碳材料的化学结构和催化性能的对比分析, 发现N掺杂和B掺杂使得碳材料表面的大量C-O基团转变为具有丙烷脱氢活性的C=O基团, 抑制反应过程中的C-C键断裂, 从而提高目标产物丙烯的选择性。生物质碳材料成本低廉且来源广泛, 以其作为催化剂可以极大地推动丙烷脱氢工业的发展。
生物质碳 杂原子掺杂 直接脱氢 丙烷 丙烯 biochar heteroatom-doping direct dehydrogenation propane propylene
