（1）研究背景
生物质和低阶煤是储量丰富的含碳固体燃料，它们的高效清洁利用对于缓解能源短缺和环境问题具有重要意义。但是由于它们的低品位能源特性、结构复杂、碱金属含量高等问题，导致它们在热转化利用过程中面临诸多问题，如生物质热解产物品质低、难以直接利用；低阶煤中准东煤燃烧发电过程中易沾污结渣等。针对这些问题进行系统深入研究，为生物质和低阶煤的高效清洁、高值化利用奠定基础，促进能源结构的供需平衡。
（2）主要研究内容
1）基于“生物质热解过程中定向调控和富集高附加值目标产物”的思路，利用Ca基双金属复合催化剂（Ni、Mg、Ce、Fe/CaO），高选择性强化制氢的同时固化CO2，促进生物质热解气中H2的富集。提出了通过低温脱氧调控生物质组分组成并通过热解获得富酚生物油的思路，系统性的研究了低温脱氧选择性调理生物质三组分构成的内在机制以及对生物质热解产物的影响特性；率先引入了TiN、GaN、SAPO类催化剂以选择性调控纤维素热解脱水过程，促使纤维素向呋喃类化合物转化，同时及时切断呋喃类化合物进一步分解的反应过程，有效实现了呋喃类物质在液体产物中的富集。相关研究成果发表在Bioresource Technology, Energy, Fuel等国际一流期刊上。
图1 相关反应参数曲线及实验结果
2）针对富氮生物质的转化和高质化利用，提出了生物质富氮热解联产高值含氮化学品和掺氮碳材料的新思路，首先揭示了高含氮生物质的热解特性及反应路径；并从生物质含氮物质基本单元出发，系统深入的阐述了气、液、固含氮物质在生物质热解过程中的形成、迁徙与转化过程，基于氨基酸分解揭示了氮在热解过程中迁移转化机理。对于低含氮生物质，通过混合热解方式引入外源氮素，揭示了混合热解过程中的交互作用及含氮产品的析出机理，并探究了反应条件、原料种类、添加物等对含氮产品形成的影响机理，形成了调控氮素迁移转化的新思路。并依据生物质热解产物高值化利用目标，热解过程中同时引入外源氮素、活化剂、催化剂等，开发了调控氮素转化方式联产高附加值含氮化学品与掺氮碳材的新方法，相关研究成果发表在环境领域顶级期刊Environmental Science& Technology，及能源领域专业权威期刊Bioresource Technology、Energy、Journal of Analytical and Applied Pyrolysis等。
图2 高含氮生物质的热解
3）针对生物质原料品质低如低碳高氧、低热值和易自燃等问题，提出生物质热溶萃取提质法以实现生物质的脱氧提质和高值化利用。将生物质经过热溶萃取提质后转化为高碳含量、低氧含量和具备热塑性的萃取产物。深入探究生物质萃取过程机理、动力学模拟，定性和定量地揭示生物质萃取过程反应路径。实现生物质萃取产物作为炼焦添加剂、碳纤维材料、再热解制备高品质生物油等高值化利用。相关研究成果发表在Bioresource Technology, Energy Fuel, Fuel等国际一流期刊上。
图3 低阶煤/生物质的热溶提质-多级分离
4）针对准东煤储量极其丰富、但其燃烧过程中易导致沾污结渣等问题，首先研究了准东煤中钠的赋存形态及含量，研究了不同成灰温度下准东煤矿物质组成及演变规律，从矿物学角度揭示钠基化合物对煤灰熔融特性的影响机制。借助高压反应釜，研究了不同水热提质温度( 150－350 ℃) 下准东煤煤质特性变化以及钠的脱除规律，深入分析了水热提质过程及气化条件对准东煤CO2气化特性的综合影响机制。首次提出了采用CO2-水洗来脱除准东煤中钠钙，定量地分析了CO2-水洗对煤中钠钙的脱除效果并初步探究了其脱除机理。从煤灰性质出发，探究了CO2-水洗对准东煤灰沾污结渣性质的影响，揭示了CO2-水洗对燃煤颗粒物释放的影响。
图4 CO2-水洗机理图
以上研究工作在专业顶级期刊Proceedings of the Combustion Institute、Environmental Science & Technology, Green Chemistry共发表3篇论文，分别在专业权威期刊Fuel、Energy & Fuels、Bioresource Technology和Fuel Processing Technology等发表15篇SCI论文。授权发明专利1项、申请发明专利2项。
（3）主要创新点和贡献
1）生物质利用方面：提出了“生物质热解过程中定向调控和富集高附加值目标产物”的新思路，揭示了低温脱氧选择性调理生物质三组分构成的内在机制以及其对生物质热解产物的影响特性。率先引入了TiN、GaN、SAPO类催化剂以选择性调控纤维素热解脱水过程，促使纤维素向呋喃类化合物转化。提出了生物质富氮热解联产高值含氮化学品和掺氮碳材料的新思路，首先揭示了高含氮生物质的热解特性及反应路径；系统深入的阐述了气、液、固含氮物质在生物质热解过程中的形成、迁徙与转化过程，基于氨基酸分解揭示了氮在热解过程中迁移转化机理。依据生物质热解产物高值化利用目标，热解过程中同时引入外源氮素、活化剂、催化剂等，开发了调控氮素转化方式联产高附加值含氮化学品与摻氮碳材的新方法。提出生物质热溶萃取提质法以实现生物质的脱氧提质和高值化利用。深入探究生物质萃取过程机理、动力学模拟，定性和定量地揭示生物质萃取过程反应路径。实现生物质萃取产物作为炼焦添加剂、碳纤维材料、再热解制备高品质生物油等高值化利用。为生物质的高值化利用奠定了基础。
2）低阶煤利用方面：针对准东煤燃烧过程中易导致沾污结渣等问题，从矿物学角度揭示了钠基化合物对煤灰熔融特性的影响机制。深入分析了水热提质过程及气化条件对准东煤CO2气化特性的综合影响机制。首次提出了采用CO2-水洗来脱除准东煤中钠钙，探究了CO2-水洗对准东煤灰沾污结渣性质的影响，揭示了CO2-水洗对燃煤颗粒物释放的影响。为准东煤的工业化应用提供了理论指导。
（4）重要论著及专利
序号 |
成果名称 |
完成人 |
刊物、出版社或授权单位名称 |
年、卷、期、页或专利号 |
类型 |
类别 |
1 |
Conversion of Biomass into High-Quality Bio-oils by Degradative Solvent Extraction Combined with Subsequent Pyrolysis |
Xianqing Zhu, Shan Tong, Xian Li, Yaxin Gao, Yang Xu, Omar D. Dacres, Ryuichi Ashida, Kouichi Miura, Wenqiang Liu, Hong Yao |
Energy & Fuels |
2017, 31(4): 3987-3994 |
论文 |
独立完成 |
2 |
Modeling and Kinetic Study of Degradative Solvent Extraction of Biomass Wastes |
Xianqing Zhu, Jian Tang, Xian Li, Wei Lan, Kai Xu, Yuan Fang, Ryuichi Ashida, Kouichi Miura, Guangqian Luo, and Hong Yao |
Energy & Fuels |
2017, 31(5): 5097-5103 |
论文 |
独立完成 |
3 |
Na&Ca removal from Zhundong coal by a novel CO2-water leaching method and the ashing behavior of the leached coal |
Yaxin Gao, Lizhi Ding, Xian Li, Wenhui Wang, Yi Xue, Xianqing Zhu, Hongyun Hu, Guangqian Luo, Ichiro Naruse, Zongqing Bai, Hong Yao |
Fuel |
2017, 210:8-14
|
论文 |
独立完成 |
4 |
Transformation of nitrogen and evolution of N-containing species during algae pyrolysis |
Wei Chen, Haiping Yang, Yingquan Chen, Mingwei Xia, Xu Chen, and Hanping Chen |
Environmental Science & Technology |
2017, 51(11): 6570-6579 |
论文 |
独立完成 |
5 |
Catalytic Upgrading of Fast Pyrolysis Products with Fe-, Zr-, and Co-Modified Zeolites Based on Pyrolyzer–GC/MS Analysis |
Pan Li, Xu Chen, Xianhua Wang, Jingai Shao, Guiying Lin, Haiping Yang, Qing Yang, and Hanping Chen |
Energy & Fuels |
2017 31 (4):3979-3986 |
论文 |
独立完成 |
6 |
Algae pyrolytic poly-generation: Influence of component difference and temperature on products characteristics |
Chen, Wei Yang Haiping,Chen Yingquan,Xia Mingwei,Yang Zixu,Wang Xianhua,Chen Hanping |
Energy |
2017, 131: 1-12 |
论文 |
独立完成 |
7 |
Absorption-enhanced steam gasification of biomass for hydrogen production: Effects of calcium-based absorbents and NiO-based catalysts on corn stalk pyrolysis-gasification |
Li Bin,Yang Haiping,Wei Liangyuan,Shao Jingai,Wang Xianhua,Chen Hanping |
International Journal of Hydrogen Energy |
2017, 42(9): 5840-5848 |
论文 |
独立完成 |
8 |
Generalized two-dimensional correlation infrared spectroscopy to reveal mechanisms of CO2 capture in nitrogen enriched biochar |
Zhang Xiong,Zhang Shihong,YangHaiping,Shao Jingai,Chen Yingquan,Liao Xinjie,Wang Xianhua,Chen Hanping |
Proceedings of the Combustion Institute |
2017, 36(3): 3933-3940 |
论文 |
独立完成 |
9 |
Influence of Addition of a High Amount of Calcium Oxide on the Yields of Pyrolysis Products and Noncondensable Gas Evolving during Corn Stalk Pyrolysis |
Li Bin,Yang Haiping,Liu Biao,Wei Liangyuan,Shao Jingai,Chen Hanping |
Energy & Fuels |
2017, 31(12): 13705-13712 |
论文 |
独立完成 |
10 |
Fast pyrolysis of cotton stalk biomass using calcium oxide |
Chen Xu,Chen Yingquan,Yang Haiping,Chen Wei,Wang Xianhua,Chen Hanping |
Bioresource Technology |
2017, 233: 15-20 |
论文 |
独立完成 |
11 |
Influence of volatiles-char interactions between coal and biomass on the volatiles released, resulting char structure and reactivity during co-pyrolysis |
Hu Junhao,Si Yaohui,Yang Haiping,Shao Jingai,Wang Xianhua,Lei Tingzhou,AgblevorFoster A,Chen Hanping |
Energy Conversion and Management |
2017, 152: 229-238. |
论文 |
独立完成 |
12 |
Hydrogen production from agricultural biomass wastes gasification in a fluidized bed with calcium oxide enhancing |
Li Bin,Yang Haiping,Wei Liangyuan,Shao Jingai,Wang Xianhua,Chen Hanping |
International Journal of Hydrogen Energy
|
2017, 42(8): 4832-4839. |
论文 |
独立完成 |
13 |
Evolution of char structure during mengdong coal pyrolysis: Influence of temperature and K2CO3 |
Hu Junhao,Chen Yingquan,Qian Kezhen,Yang Zixu,Yang Haiping,Li Yang,Chen Hanping |
Fuel Processing Technology |
2017, 159: 178-186. |
论文 |
独立完成 |
14 |
The effects of contact time and coking on the catalytic fast pyrolysis of cellulose |
Yang Haiping,Coolman Robert,Karanjkar Pranav,Wang Haoyi,Dornath Paul,Chen Hanping,Fan Wei,Conner William Curtis Mountziaris T J,Huber George |
Green Chemistry |
2017, 19(1): 286-297. |
论文 |
独立完成 |
15 |
NOx precursors from biomass pyrolysis: Distribution of amino acids in biomass and Tar-N during devolatilization using model compounds |
Chen Hanping,Si Yaohui,Chen Yingquan,Yang Haiping,Chen Deming,ChenWei |
Fuel |
2017, 187: 367-375. |
论文 |
独立完成 |
16 |
一种耦合热溶萃取和热解制备高品质生物油和气体的方法 |
朱贤青,李显,姚洪,徐凯等 |
中华人民共和国专利局 |
ZL 201610834375.7 |
发明专利 |
独立完成 |
（1）研究背景
CO2光催化技术作为一种可再生能源技术，一方面那可以减少CO2的排放，另一方面还可提供高附加值燃料，是一项极有潜力的碳减排与利用技术。但是其依然存在转化效率低下、可见光响应能力差，产物选择性差等问题。针对以上不足之处，结合催化剂晶面调控及表面改性技术，开发了数种异质结催化剂，并对其光催化还原CO2特性及反应机理进行了系统研究，同时深入探究了反应体系对CO2光催化还原反应效率与选择性的影响，为新型催化剂开发与反应过程调控提供了新思路与新方法。
（2）主要研究内容
1）双金属助催化剂协同促进CO2光催化还原反应机理研究
为增强TiO2催化剂光催化还原CO2活性及选择性，通过耦合溶剂热法和化学还原法合成了Pt、Cu2O纳米颗粒共沉积的双晶面暴露TiO2纳米催化剂，分析了Pt、Cu2O纳米颗粒共沉积对TiO2催化剂物理化学特性、光催化还原CO2活性和产物选择性的影响，揭示了Pt、Cu2O对催化剂表面电荷迁移及反应物吸附的影响机制，提出并验证了Pt、Cu共负载TiO2催化剂的亲CO2疏水的特性和吸附机制，揭示了光生电子在Pt/Cu2O间的快速迁移机制，从而为其表面的CO2还原反应提供充足的电子，大幅提高CO2还原转化为CH4的效率与选择性(可达96.6%)。相关成果发表在Applied Catalysis B: Environmental（环境工程类期刊TOP1）和Catalysis Communications，入选ESI高被引论文1篇。为增强TiO2催化剂可见光活性，制备了V、W共掺杂的TiO2催化剂并将其负载在蜂窝陶瓷表面，分析表征了V、W对TiO2光响应特性、电荷传递与复合特性及CO2光催化还原活性的影响，揭示了V、W在可见光CO2光催化还原反应中的作用机理：V、W掺杂可捕获光生电子，促进光生电荷的有效分离，同时V掺杂可在TiO2禁带中诱导形成杂质能级，增强催化剂可见光响应能力，在V、W的协同作用下，可见光下CO2光催化还原效率显著提升。相关成果发表在Applied Catalysis B: Environmental。
图1 Pt-Cu2O/TiO2催化剂光催化还原CO2机理
2）ZnO/CeO2异质结催化剂光催化还原CO2研究
为实现CO2在可见光下的高效催化还原，采用火焰喷雾热解法一步合成了ZnO/CeO2异质结催化剂并探究了其在模拟太阳光下的光催化活性。分析了复合催化剂中ZnO与CeO2对复合催化剂光响应特性及CO2吸附特性增强作用，CeO2可有效拓展ZnO光响应范围，ZnO则会提升催化剂表面羟基氧浓度并增强CO2吸附。揭示并验证了ZnO/CeO2异质结与共存的Ce4+/Ce3+对光生电荷分离的促进机制，证实了ZnO/CeO2异质结从光响应范围、反应物吸附以及光生电荷分离三个方面改善催化剂特性，从而显著增强其CO2光催化还原效率，相关成果发表在Journal of CO2 Utilization。
图2 ZnO/CeO2催化剂光催化还原CO2机理
3）气液固耦合新模式增强CO2光催化还原反应
在掌握高效催化剂常规气液、气固光催化作用机理的基础上，耦合液固反应模式倾向于分解水产氢和气固反应模式利于CO2还原的优势，发展一种气-液-固三相复合的新反应模式，显著提高了Pt/M-TiO2催化剂光催化还原活性，CO2还原量子效率较常规气液反应提高了6倍；揭示了介孔Pt/M-TiO2纳米颗粒在此模式下产氢以及CO2加氢反应机理，获得了优化的CO2还原反应动力学参数，阐明了影响CO2还原反应的关键步骤，提出并验证了液固反应产氢是促进CO2还原的关键环节，相关成果发表在Catalysis Communications。
图3 CO2光催化还原气-液-固三相复合反应模式
以上研究工作在专业顶级期刊发表SCI论文15篇，包括环境工程领域TOP期刊《Applied Catalysis B: Environmental》2篇，其中一篇入选ESI高引论文，《Physical Chemistry Chemical Physics》内封面文章1篇，申请发明专利3项。在国内外学术会议和学术机构进行邀请报告1次。
（3）主要创新点和贡献
建立了催化剂晶面与界面结构调控方法，开发了一系列异质结催化剂，分析了了表面异质结、金属/半导体、半导体/半导体异质结与催化剂物理化学特性之间的定量关系，掌握了催化剂晶面及界面化学环境对催化剂光学特性、电荷传递特性及表面吸附特性的影响规律，揭示了光催化反应过程中不同异质结在光生电荷分离与反应物吸附中的协同促进机理，建立了CO2光催化还原反应动力学模型。在此基础上发展了一种气-液-固三相复合的新反应模式，可显著提升CO2光催化还原CO2活性与产物选择性。为高效率高选择性光催化剂的开发和CO2还原活性、选择性调控提供了新思路，为CO2光催化技术的推广应用奠定了理论基础。
（4）重要论著及专利
序号 |
成果名称 |
完成人 |
刊物、出版社或授权单位名称 |
年、卷、期、页或专利号 |
类型 |
类别 |
1 |
Photocatalytic CO2 reduction over V and W codoped TiO2 catalyst in an internal-illuminated honeycomb photoreactor under simulated sunlight irradiation |
Zhuo Xiong, Ze Lei, Siming Ma, Xiaoxiang Chen, Bengen Gong, Yongchun Zhao, Junying Zhang, Chuguang Zheng, Jeffrey C.S. Wu |
Applied Catalysis B: Environmental |
2017,219: 412-424 |
论文 |
独立完成 |
2 |
Selective photocatalytic reduction of CO2 into CH4 over Pt-Cu2O TiO2 nanocrystals: The interaction between Pt and Cu2O cocatalysts. |
Zhuo Xiong, Ze Lei, Chia-Chien Kuang, Xiaoxiang Chen, Bengen Gong, Yongchun Zhao, Junying Zhang, Chuguang Zheng, Jeffrey C.S. Wu |
Applied Catalysis B: Environmental |
2017, 202:695-703 |
论文 |
独立完成 |
3 |
CO2 photocatalytic reduction over Pt deposited TiO2 nanocrystals with coexposed {101} and {001} facets: Effect of deposition method and Pt precursors |
Zhuo Xiong, Ze Lei, Xiaoxiang Chen, Bengen Gong, Yongchun Zhao, Junying Zhang, Jeffrey C.S. Wu |
Catalysis Communications |
2017, 96: 1-5 |
论文 |
独立完成 |
4 |
Flame spray pyrolysis synthesized ZnO/CeO2 nanocomposites for enhanced CO2 photocatalytic reduction under UV-Visible light irradiation. |
Zhuo Xiong, Ze Lei, Zuwei Xu, Xiaoxiang Chen, Bengen Gong, Yongchun Zhao , Haibo Zhao,Junying Zhang, Chuguang Zheng |
Journal of CO2 Utilization |
2017, 18: 53-61 |
论文 |
独立完成 |
5 |
A novel reaction mode using H2 produced from solid-liquid reaction to promote CO2 reduction through solid-gas reaction. |
Zhuo Xiong, Ze Lei, Bengen Gong, Xiaoxiang Chen, Yongchun Zhao, Junying Zhang,Chuguang Zheng, Jeffrey C.S. Wu |
Catalysis Communications |
2017, 89: 4-8 |
论文 |
独立完成 |
6 |
Mean-Field Theory of Electrical Double Layer In Ionic Liquids with Account of Short-Range Correlations |
Goodwin Zachary A. H., Feng Guang, Kornyshev Alexei A |
Electrochimica Acta |
2017,225: 190-197 |
论文 |
非独立完成 |
7 |
Interface between an Au(111) Surface and an Ionic Liquid: The Influence of Water on the Double-Layer Capacitance |
Friedl Jochen, Markovits Iulius I. E., Herpich Max, Feng Guang, Kornyshev Alexei A., Stimming Ulrich |
Chemelectrochem |
2017,4(1): 216-220 |
论文 |
非独立完成 |
8 |
The Influence of Anion Shape on the Electrical Double Layer Microstructure and Capacitance of Ionic Liquids-Based Supercapacitors by Molecular Simulations |
Chen Ming, Li Song, Feng Guang |
Molecules (Basel, Switzerland) |
2017, 22,241 |
论文 |
独立完成 |
9 |
Multi-objective based configuration optimization of SOFC-GT cogeneration plant |
Hajabdollahi Zahra, Fu Pei-Fang |
Applied Thermal Engineering |
2017,112: 549-559 |
论文 |
独立完成 |
10 |
Investigation on the ignition, thermal acceleration and characteristic temperatures of coal char combustion |
Zhang Bin, Fu Peifang, Liu Yang, Yue Fang, Chen Jing, Zhou Huaichun, Zheng Chuguang |
Applied Thermal Engineering |
2017,113: 1303-1312 |
论文 |
独立完成 |
11 |
Improving the rate of heat transfer and material in the extended surface using multi-objective constructal optimization |
Zahra Hajabdollahi, Hassan Hajabdollahi, Pei Fang Fu |
International Journal of Heat and Mass Transfer |
2017,115: 589–596 |
论文 |
独立完成 |
12 |
Comparison of the characteristics and mechanism of CO formation in O2/N2, O2/CO2 and O2/H2O atmospheres |
Yizhuo He, Chun Zou, Yu Song, Jianghui Luo, Huiqiao Jia, Wuzhong Chen, Junmei Zheng, Chuguang Zheng |
Energy |
2017,141: 1429-1438 |
论文 |
独立完成 |
13 |
Oxygen desorption behavior of sol-gel derived perovskite-type oxides in a pressurized fixed bed reactor |
Ding Haoran, Xu Yongqing, Luo Cong, Wang Qiyao, Li Shuai, Cai Guoqiu, Zhang Liqi, Zheng Ying, Shen Qiuwan |
Chemical Engineering Journal |
2017,323: 340-346 |
论文 |
独立完成 |
14 |
Natural Calcium-BasedSorbents Doped with Sea Salt for Cyclic CO2 Capture |
Yongqing Xu,Cong Luo,Ying Zheng,Haoran Ding,Dong Zhou,Liqi Zhang |
Chemical Engineering & Technology |
2017, 40(3): 522-528 |
论文 |
独立完成 |
15 |
Emissions of NO and CO from counterflow combustion of CH4 under MILD and oxyfuel conditions |
Cheong Kin-Pang, Li Pengfei, Wang Feifei, Mi Jianchun |
Energy |
2017,124: 652-664 |
论文 |
独立完成 |
上一篇: 2017年度研究进展-方向四
下一篇: 2017年度研究进展-方向一
