光子增强热离子太阳能电池的性能研究

基于光子增强热离子太阳能电池(PETSC)的模型,考虑温度对半导体禁带宽度的影响,应用半导体物理学和不可逆热力学理论,研究PETSC的优化性能特性.分析阴极的电子亲和势和阳极的功函数等重要参数对PETSC太阳能电池性能的影响,结果表明,由于半导体硅材料的禁带宽度与阴极温度有关,则可同时对电子亲和势和阳极的功函数进行优化,因此PETSC的最大效率可达37%.本文所获得的一些结论可为实际PETSC的设计和优化运行提供理论依据.     

光子增强热离子发射太阳能电池混合功率系统参数的优化设计

考虑实际系统中存在的多种传热损失,本文建立一类不可逆光子增强热离子发射太阳能电池与温差热电发电器组合而成的混发电系统模型.基于太阳能电池与温差热电发电器之间的能量平衡方程,导出该混合系统输出功率和效率的表达式.通过数值计算,详细分析了光增热离子太阳能电池的面积、阴极半导体材料的禁带宽度、电子亲和势以及温差热电发电器的无量纲电流对混合系统优化性能的影响,确定混合发电系统运行于最大效率下光子增强热离子太阳能电池阴极材料的禁带宽度,电子亲和势,电池面积和温差热电发电器的无量纲电流的优化值.结果表明,采用混合发电系统,太阳能转换效率与工作于相同条件下的单一光增热离子太阳能电池的效率相比可提高约10%,而光增热离子太阳能电池阴极半导体材料禁带宽度在最大效率下的优化值则比单一光增热离子太阳能电池的小.本文所得结果可为实际光子增强热离子太阳能电池混合发电系统的设计和优化运行提供理论依据.     

不同电子受体诱导活性污泥生物质内源减量

活性污泥法是世界上应用最广泛的污水处理工艺.该工艺在净化水质的同时会产生大量的剩余污泥,而剩余污泥处理处置已成为该工艺发展的瓶颈.尽管现有污泥减量技术能够降低污泥产量,但是这些技术自身涉及能量和化学品的消耗,有悖于可持续污水处理的理念.在新陈代谢中,细菌合成取决于电子传递过程中所产生的能量(三磷酸腺苷ATP).不同电子受体因电子传递路径差异导致能量产率不同而影响细菌产率.本研究基于上述分析,以低溶解氧活性污泥工艺为研究对象开展不同电子受体诱导污泥减量性能与机制研究.在低溶解氧下的活性污泥微生物种群结构中, 29.7%的微生物为缺氧菌,这些缺氧菌能够利用NO_x~-为电子受体.基于热力学电子当量模型及电子传递模型推导出:微生物利用NO_x~-作为电子受体时的能量(ATP)产量仅为以O_2为电子受体时的2/3.胞外蛋白质组学揭示:低溶解氧系统中,微生物胞外蛋白中涉及电子传递和质子传递的蛋白丰度为8%和4%;而传统活性污泥系统中这个比例仅为2.9%和2%. NO_x~-作为电子受体时,更多的蛋白参与了电子传递过程.在低溶解氧系统和常规活性污泥系统中具有氧化还原催化活性的蛋白占23.7%和10.7%.这证实微生物以NO_x~-作为电子受体时电子传递活性更加活跃.电子受体的改变诱导了分解代谢与合成代谢之间的基质分配发生变化,微生物以NO_x~-作为电子受体参与细胞合成的电子供体fs明显小于O_2为电子受体的值.微生物以NO_x~-作为电子受体时,更少的能量和物质用于细胞合成,更多的能量被耗散掉.在无需额外的能量和资源消耗下,低溶解氧活性污泥系统获得15.4%的污泥减量效率.本研究成功地诱导微生物转换电子受体实现污泥减量.     

漫透射光谱电化学研究活菌细胞色素c蛋白介导的胞外电子传递过程

微生物膜蛋白(细胞色素c)介导的微生物胞外电子传递过程,是元素生物地球化学循环、微生物修复、微生物燃料电池等领域的研究热点与重要科学问题.阐明细胞色素c的氧化还原变化规律是从分子层面解析该过程的基础.然而,由于技术手段限制,活菌细胞色素c氧化态和还原态的含量及其电位难以同时测定,其氧化还原状态的变化规律仍知之甚少.本文构建了漫透射光谱电化学联用装置,原位测试了活菌细胞色素c及电子受体的氧化态和还原态含量变化,并同时在线监测了反应体系的氧化还原电位值,从而实现了实测电位与各反应物计算电位之间相互关系的系统研究.结合动力学与热力学的分析,定量阐明了细胞色素c所处的氧化还原状态因电子受体的电位不同而发生变化的规律;解释了不同电子受体存在时,细胞色素c所处的平衡状态截然不同的原因.该技术手段在活菌层面实现了细胞色素c蛋白的动力学与热力学分析,可为胞外电子传递微观机制的研究提供新的方法与理论基础.     

沉积型微生物燃料电池效能的影响因素研究进展

沉积型微生物燃料电池是一种利用微生物催化氧化作用处理水体沉积物的原位修复方法。本文综述了影响其效能的影响因素:电极、底物的预处理和传质、水体、微生物及外电阻,并对如何从这些方面进一步提高效能进行了展望。     

基于平板热管技术的电池热管理系统实验研究

温度是影响锂离子动力电池性能的关键因素,本文采用平板热管作为电池热管理的传热部件,实验研究了平板热管在不同电池产热功率条件下的传热性能和均温性,理论计算了平板热管扩散热阻及导热系数.研究表明,在25 W产热条件下,平板热管扩散热阻为0.044℃W-1,等效导热系数650 W K-1,随着电池产热功率的增大,平板热管的扩散热阻降低,等效导热系数显著增大.在多热源条件下,平板热管表面最大温差低于4℃,表明其较好的均温性,在电池热管理系统中具有较好的应用前景.     

胶体超级电容电池

兼具高功率密度与高能量密度的储电技术是电化学储能领域的终极目标,寻找新型储电体系成为实现这一目标的重要策略.超级电容电池融合二次电池和超级电容器的优势,实现高功率密度和高能量密度在同一时空的统一.作为关键电极材料,超级电容电池型电极材料具有快速的电子和离子传输通道,在热力学、动力学允许条件下实现最大化利用氧化还原活性阳离子.目前开发的胶体离子超级电容电池能量密度可以达到350 Wh/kg,功率密度达到2 kW/kg.超级电容电池储电设备特别适合应用于脉冲电源、电磁弹射、能量回收、启停电源等领域.     

基于Bagging神经网络集成的燃料电池性能预测方法

利用三维质子交换膜燃料电池数学模型模拟研究了电池流道进、出口高度对电池性能的影响,然后将数值模拟结果作为神经网络模型的训练数据.以流道进、出口高度和电池电压值作为输入变量,以电池电流密度作为输出变量,建立了3层反向传播神经网络模型;然后利用Bagging集成学习方法对神经网络模型进行集成,构建了燃料电池性能预测方法.研究发现:与单一神经网络模型相比, Bagging神经网络集成模型预测精度更高,且所需模型训练数据量更少.此外对于超出训练数据以外的情形, Bagging神经网络集成模型仍然能够准确地预测燃料电池的性能,且精度良好,表明Bagging神经网络集成模型的鲁棒性较好,可用于更宽工况范围内燃料电池性能的快速预测.     

层叠式锂离子电池展向温度分布的分析解及基于分析解的热设计优化

大型锂离子动力电池的热相关问题是限制其在电动汽车上大规模应用的主要问题之一.单体电池的热模型是进行电池热设计、改善电池热特性的重要工具.根据热模型的求解方法,可分为数值解和分析解两类.在现有文献的研究中,数值解占据了主要地位.但是,分析解因具有计算量小、可实现设计变量的全局优化等优点,在电池热设计和电池组热管理系统中可发挥重要作用.例如,在电池热设计中,分析解可全面考察多个设计参数连续变化下对电池热特性的影响,以进行多设计参数下的全局优化.本文首先对一款大型层叠式锂离子电池进行了数值热模拟和实验验证,数值热模拟的结果与多枚热电偶的实验测量结果吻合良好;然后,基于数值热模拟的结果提取了层叠式电池温度分布和产热率分布的主要特点,进而假设温度呈展向平面分布、产热率均匀分布;针对简化后的电池热问题,利用双重积分变换方法提出了分析解;最后,使用分析解开展了电池的热设计优化工作,讨论了不同电芯尺寸和极耳布置方案下的电池热特性.     

沉积物微生物燃料电池中的微生物电子传递过程

沉积物燃料电池(sediment microbial fuel cell, SMFC)可以将沉积物中的化学能直接转化为可用的电能,同时加速沉积物中污染物的去除.近20年来, SMFC引起了越来越多的不同学科研究者的关注,国内外已有多例成功的实际应用的报道.由于能源和环境发展在我国的战略地位,我国学者发表SMFC相关的论文数量已超越美国成为世界最多的国家.在SMFC中,电极表面微生物的能量和物质代谢网络是实现其产电和降解功能的关键,但目前尚缺乏对SMFC中微生物过程的系统总结和分析.本文以电极表面微生物电子传递过程为核心,依次对SMFC中的阳极电子供体、微生物群落、功能基因、阴极电子受体和微生物群落等方面进行综述,并对SMFC进一步在实际环境和科学研究中的应用进行了展望和讨论,以期从微生物学的角度为SMFCs的发展和应用提供参考.     

PDMS/SiC功能梯度衬底3D打印制备和性能研究

针对当前柔性电子、电子皮肤、可穿戴电子、软体机器人等领域使用的衬底面临挑战性的难题:难以同时满足一侧具有很好的柔性而另一侧具有较高刚度(变刚度功能梯度特性),以及散热性能和材料生物兼容性差的问题,本文提出一种PDMS/SiC功能梯度衬底,以PDMS为基体材料, SiC为增强相(填料);并且SiC含量在PDMS基体中从一侧到另一侧逐渐增大,呈现连续功能梯度和变刚度特性.为了解决现有技术难以制造PDMS/SiC功能梯度衬底的问题,提出一种基于多材料主动混合3D打印制造新方法,它能实现PDMS/SiC功能梯度衬底高效低成本制造.通过实验揭示了打印速度、背压、打印平台加热温度等主要工艺参数对打印衬底质量和性能的影响及其规律.利用提出的制备方法并结合优化的工艺参数,制造出高性能的PDMS/SiC功能梯度衬底.与传统的PDMS衬底相比,新型衬底其热导率提高了2.5倍; SiC含量50%一侧的杨氏模量增加了2.9倍,电学性能稳定;而且新型衬底刚度的空间变化呈现连续梯度特性.实验结果显示, PDMS/SiC功能梯度同时具有较好的柔性和较高刚度,而且还具有优良的散热性能,良好的绝缘性和生物兼容性,变刚度功能梯度特性,为柔性电子、电子皮肤、可穿戴电子、软体机器人等领域亟需的新一代高性能衬底提供了一种新的解决方案.     

不同方法制备的Pt对电极染料敏化太阳能电池的光电性能研究

采用磁控溅射（sputtering）、高温热分解（high-temp）H2Pt Cl6·6H2O溶液和低温化学还原（low-temp）H2Pt Cl6·6H2O溶液等方法在FTO导电基片上制备了三类不同的Pt对电极,通过改变磁控溅射时间或旋涂退火循环次数,对FTO上不同对电极的载Pt量进行了调节.分析了三种不同方法制备的对电极的晶相结构、表面形貌以及透光率等特性.基于纳米管阵列和不同条件制备的对电极组装了系列染料敏化太阳能电池.测量了正照射和背照射条件下的电池光电性能,并分析了制备方法对对电极微结构和形貌的影响,以及对组装电池光电性能的影响,并对其各自的适用性和优缺点进行了比较分析.     

锂离子电池失效的快速判定

通过锂离子单体电池的循环寿命实验,分析了该电池的充放电电流,电压以及内阻随循环次数的老化特性.研究发现,随着充放电次数的增加,电池在恒流阶段充入的容量占总容量的百分比的变化趋势和电池内阻变化相一致,因此可以根据恒流充电的时间来快速判定电池的衰减程度.     

ZnO纳米阵列基钙钛矿太阳能电池的光电性能分析

近年来钙钛矿材料CH3NH3Pb X3(X=Cl,I,Br)因其在可见光范围的吸光系数大、成本低廉、能量转换效率高等优势而得到快速发展.本文采用低温化学水浴沉积制备出有序的Zn O纳米阵列,进一步在Zn O纳米阵列上旋涂不同体系的Ti O2,制备出Zn O/Ti O2复合阵列结构作为钙钛矿太阳能电池的电子传输层,通过改变Ti O2掺入体系探究电极的微结构变化和电池光电性能.研究表明,Zn O纳米阵列经过Ti O2浆料处理的复合体系组装的电池具有最优的光电性能,进一步考察Ti O2浆料浓度对电池性能的影响表明,当Ti O2浓度为0.1 mol/L时得到最佳性能,其组装电池的开路电压(Voc)达到0.93 V,短路电流(Jsc)为15.30 m A cm-2,填充因子(FF)为43%,效率(η)为6.07%.效率的提升主要是因为钙钛矿能深入Zn O阵列的间隙,同时在阵列的上部形成了均匀致密的覆盖层,有效提高了电池的光俘获,同时抑制了载流子的复合.在Zn O/Ti O2浆料复合阵列结构优化浆料浓度的基础上,进一步对纳米阵列采用Ti Cl4溶液进行处理,电池的光电性能得到大幅提升:Voc=0.99 V,Jsc=19.09 m A cm-2,FF=58%,效率η达到11%.性能提升的原因主要是Ti Cl4溶液对复合纳米阵列的处理,引入了小Ti O2纳米颗粒到Zn O/Ti O2浆料复合阵列结构中,有效地填补了阵列中的间隙,后续旋涂钙钛矿材料,阵列上部的钙钛矿覆盖层和间隙中的钙钛矿纳米晶,其光照后产生的载流子都可以与电子传输层有很好的接触,从而快速地经由Zn O阵列传导至导电衬底,此外小纳米颗粒的引入,也增大了电极的表面积,提高了对钙钛矿物质的吸附,增大了光俘获,因而电池的整体性能都得到提高.     

电化学红外光谱解析五氯酚的阴极微生物还原脱氯机制

通过构建基于恒电位(0,-200,-500,-800 mV vs. SCE)的生物电化学系统,考查了污染土壤五氯酚(pentachlorophenol, PCP)脱氯效率、阴极生物膜的电子吸收能力以及电活性物质种类;借助原位电化学红外光谱和二维相关光谱手段解析了参与PCP阴极还原脱氯的氧化还原活性基团及可能的电子传递途径;通过16S r RNA基因测序技术分析了微生物群落结构对不同恒电位的响应变化.结果表明:(1)-500 mV电位刺激下的PCP微生物还原脱氯效率分别是0和-200 m V电位下的5倍以及-800 mV的1.8倍,最高生物电流(约45μA)也高于其他电位处理(0～35μA),说明-500 mV电位刺激下的阴极生物膜电子吸收能力和PCP还原脱氯效率明显优于其他电位处理;(2)-500 mV电位下的CV曲线中氧化还原峰位于-250和-450 mV(vs. SCE),该物质可能是参与PCP还原脱氯的主要电化学活性物质;(3)-200,-500和-800 mV电位下形成的电活性生物膜参与PCP还原脱氯,对阴极电子传递响应最迅速的主要氧化还原活性成分分别是氨基III、细胞色素和腐殖酸,-500 mV电位下细胞色素可能介导了更高效的电子传递,从而导致PCP的微生物还原脱氯效率明显优于其他电位处理;(4)不同电位下微生物群落结构差异显著,-500 mV电位下的优势微生物为丛毛单胞菌(Comamonadaceae),可能是驱动PCP阴极还原脱氯的重要功能微生物.该研究初步解析了参与PCP阴极还原脱氯的优势微生物及重要氧化还原活性成分,为PCP的高效降解及污染环境的治理提供了理论支撑.     

细水雾作用下固体池火熄灭时间的实验研究

利用三维激光粒子动态分析仪测量距离细水雾喷嘴不同位置的雾场特性(雾滴速度、雾滴粒径), 选择东北红松和PMMA作为固体燃料研究了细水雾与固体池火的相互作用过程, 重点考察燃料特性、细水雾施加流量以及喷嘴距离燃料试样表面的高度对熄灭时间的影响. 结果表明, 随着细水雾流量的增加, 灭火时间均下降, 在同一个流量条件下PMMA的灭火时间比松木长. 在小流量的情况下, 喷嘴离燃烧试样表面越远, 灭火时间越短. 固体池火的熄灭主要由于燃料表面的冷却.     

不同粒径聚苯乙烯微球的制备及其胶体晶体的组装

通过控制聚合反应时间、体系离子强度、离子共聚体(苯乙烯磺酸钠)浓度等因素,采用无皂乳液聚合方法,成功制备了单分散性聚苯乙烯(PS)胶体微球,并使之形成面心立方(fcc)密堆积为主的胶体晶体.利用FDTD方法计算了胶体晶体表面的显色特性,和实验结果相符.     

电动汽车锂离子动力电池充放电性能试验分析

根据电动汽车动力电池研发需求,对锂离子单体电池进行了一系列充放电试验,得到了该电池在不同放电倍率,以及不同温度条件下的充放电特性、开路电压、温升、内阻与效率特性.结果表明,锂离子电池具有比能量高、内阻小、放电效率高、放电特性良好等优点;锂电池的荷电状态与电池开路电压存在近似线性关系,这使得利用开路电压结合安时法估计电池的SOC成为现实.     

改性秸秆膨胀床与固定床吸附去除SO_4~(2-)

含硫酸根离子(SO42-)废水可对环境造成危害,在排放之前需降低SO42-浓度.本文利用改性秸秆阴离子吸附剂制备吸附柱,分别在膨胀床和固定床操作下进行动态吸附实验,研究改性秸秆阴离子吸附柱去除SO42-的性能.结果表明,在改性秸秆膨胀床操作中,膨胀率随流速提高而线性增大;随膨胀率的增加,膨胀床去除SO42-的穿透时间缩短,柱吸附量降低,膨胀率不宜大于25%;在改性秸秆固定床操作中,随高径比的增加,吸附柱去除SO42-的穿透时间延长;而随进水SO42-浓度和流量的增加,床层工作时间显著缩短;在实验流量下,膨胀床的处理效果略优于固定床.SO42-解吸实验表明,0.1 mol/L NaOH溶液解吸效果最佳,是合适的吸附柱再生液.     

离子交换膜厚度对钒电池性能的影响

电解液穿过离子交换膜的传质现象会导致全钒液流电池性能和寿命降低.作为重要设计参数,膜厚度是影响膜内离子传输的主要因素.本文使用结合了Donnan效应的钒电池一维传质模型,通过数值模拟方法考察离子交换膜厚度对膜内传质控制作用的影响,并得到电池性能的变化规律.结果显示:电池库伦效率随膜厚度变化呈三个阶段.膜厚度较小时,库伦效率恶化严重;膜厚度适中时,库伦效率随膜厚度增加而明显提升;膜厚度较大时,库伦效率随膜厚度增加趋缓.研究发现,随电池运行膜两侧溶液电势差逐渐达到稳定状态,这一过程受初始膜两侧氢离子浓度差和膜厚度控制.此外,膜厚度越小,膜内钒离子流量越大,其作用机制转为扩散主导;随充放电进行,迁移作用受膜两侧浓差平衡电势差影响.