基于密度泛函理论的铁基反尖晶石载氧体还原性质计算及实验研究

发布时间：2020-11-06 05:07

　　 本论文立足于高效、低碳的固体燃料化学链循环过程,选题涉及其中的核心关键载氧体科学问题,聚焦来源广泛、价格低廉、环境友好、工业应用可行的铁基载氧体,最终确定了多金属元素协同作用、且结构更稳定、多阳离子空位结构的复合铁基反尖晶石载氧体为研究对象。研究采用理论与计算化学为主、常规性能评价和材料表征实验为辅、结合已发表实验数据为验证的策略,考察和讨论了复合铁基反尖晶石载氧体的电子结构性质、反应活性和反应机理。基于密度泛函理论的计算研究阐释了载氧体宏观还原性能的微观本质,涉及六种复合铁基反尖晶石结构,包括CuFe2O4、CoFe2O4、MnFe2O4、NiFe2O4晶体以及掺杂了Ca、Ba元素的Fe3O4晶体;以实质的气(H2/CO)-固(载氧体)模拟固体燃料化学链循环表观的固-固反应,以化学吸附和热重实验仪器重点研究了CuFe2O4和CoFe2O4,并借助XPS进一步实验表征其电子形态和结合能。具体结果如下:CuFe2O4和CoFe2O4载氧体在H2或CO还原性气氛下表现出不同的还原行为特点,CuFe2O4与气体的起始反应温度比CoFe2O4低,CoFe2O4的最大反应速率比CuFe2O4高。XPS表征结果揭示载氧体氧形态的多样化是造成上述宏观还原性质的根本原因,表面氧反应活性影响着反应发生的难易程度,体相晶格氧含量远高于表面氧含量且是载氧体还原反应速率能力的决定因素。表面氧反应活性和体相晶格氧迁移效率共同决定了还原反应发生的起始及演变。理论计算得到电子态密度图显示,CoFe2O4晶体体相晶胞的禁带宽度比CuFe2O4窄,意味着其价带电子越容易跨越禁带跃迁到导带成为自由电子,说明CoFe2O4晶体内原有金属-氧键更容易发生断裂,从而有利于解离后的体相晶格氧向表面迁移、及与更外层的金属原子形成新的金属-氧键,因此CoFe2O4晶体体相晶格氧的迁移速率比CuFe2O4高,对应更快的宏观还原反应速率;CuFe2O4晶体表面的禁带宽度比CoFe2O4窄,CuFe2O4表面金属吸附位点和表面晶格氧的活性比CoFe2O4更高,从而在实验测试中CuFe2O4比CoFe2O4在更低的温度下开始反应。理论计算结果显示表面弛豫后位于最外层的Cu或Co原子与次外层的Fetetl原子比在体相结构中相距更远,从空间位置角度证明了CuFe2O4表面比CoFe2O4具有更加有利的条件供外来气体吸附其上。巴德电荷分析结果进一步揭示弛豫后表面金属原子比在体相结构中的电负性有所增加,有利于显正电性的燃料气体分子基团吸附,且表面Cu原子比表面Co原子的电负性更强,从电负性角度证明了 CuFe2O4表面金属原子比CoFe2O4的吸附活性更高,因此其表面反应活性更强。统一研究MFe2O4(M=Cu,Co,Mn,Ni)铁基反尖晶石结构发现,以八面体位点的Moct原子和四面体位点的Fetetl原子作终端的两种表面,由于表面弛豫过程中原子配位数减小得最少,计算得到的表面能最低,因而最有可能代表实际表面。Moot原子作终端的表面拥有更多的金属原子吸附位点从而有利于气体分子的吸附过程,Fetetl原子作终端的表面其氧原子层与燃料气体分子在空间上距离更近,与之发生反应的空间可能性更高。弛豫后的表面金属原子呈现相互远离的趋势,以增强整个体系在空间上的对称性,其比体相金属原子对燃料气体分子的吸附活性更高。马利肯布居数分析揭示了Ba铁尖晶石作为载氧体优于Fe3O4尖晶石、Ca铁尖晶石的微观电子性质本质。Ba掺杂的Fe3O4晶体中的O原子的电子数最多,可能最有利于体相晶格氧的迁移,晶体中位于四面体位点的Fetet原子与氧原子的作用较其它两个体系最弱,可能意味着其表面反应活性最高。本论文采用理论计算化学手段和实验手段共同构建了复合铁基反尖晶石载氧体在还原性气氛下(H2/CO)的反应活性与其微观电子结构间的内在联系规律,并拓展了理论分析、解释、预测复合铁基反尖晶石载氧体宏观还原反应活性能力,具有显著的科学意义及明显的创新性。
【学位单位】：安徽大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

图１．１含碳燃料化学链热转化的几种途径方式＂

?第一章绪论???图１．１＂和图１．２〃分别展示了含碳燃料化学链热转化的几种途径方式和化学??链技术的过程示意图。如图１．１所示，化学链技术几乎可以涉及含碳燃料的各种??转化方式，包括化学链燃烧（Ｃｈｅｍｉｃａ丨丨ｏｏｐｉｎｇ?ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，?ＣＬＣ）、化学链气化??（Ｃｈｅｍｉｃａｌ?ｌｏｏｐｉｎｇ?ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ＣＬＧ）、ｆｈ学链重整（Ｃｈｅｍｉｃａｌ?ｌｏｏｐｉｎｇ?ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ，??ＣＬＲ）等。但过程的基本点一致，如图１．２所示，均涉及载氧体的还原和氧化两??个过程以组成一个完整的化学链过程，分别在燃料反应器（Ｆｕｅｌ?ｒｅａｃｔｏｒ）和空气反??应器（Ａｉｒ?ｒｅａｃｔｏｒ）中完成ｗ。通常载氧体以金属氧化物为其主要成分，在燃料反应??器中载氧体提供氧使含碳燃料被氧化完成热转化过程？，还原后的载氧体返回空??气反应器中，与空气或其它氧化性气氛发生氧化反应，使其重新具有氧化含碳??燃料的能力，重新进入燃料反应器参与下一轮化学链反应。下面就化学链发展??的沿革、各种相关技术变型分别展开介绍。??

?第一章绪论???ｗｉｔｈ?Ｏｘｙｇｅｎ?Ｕｎｃｏｕｐｌｉｎｇ，?ＣＬＯＵ）；ｆｌ’?＃?＇选择的载氧体类型可实现自由氧供给以??加快固体煤焦－自由氧的反应，如铜基、锰基及钴基载氧体等＂。即将固－固反??应又转化为气＿固反应，为化学链燃烧过程提供了建设性的新思路＂耦合??的化学链燃烧过程的优点在于：??（１）在燃料反应器发生的反应是净放热的（如铜基载氧体），可以降低整个??工艺过程热集成的设计难度；（２）氧气与固体燃料的气－固反应速率远远高于固??体燃料与载氧体的固－固反应速率，且氧气与固体燃料的直接反应省去了气化固??体燃料前步骤的必要，使燃料反应器的尺寸减小。??ＣＯ，?ＣＯｚ??
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本文编号：2872692