氧燃料
關(guān)注創(chuàng)建者：無(wú)敵小金剛 創(chuàng)建時(shí)間：2018-12-04
氧燃料的實(shí)例教程
燃料電池是一種通過(guò)使燃料氣體和氧化劑氣體發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。由于燃料電池是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制，因此效率高。
另外，燃料電池用燃料和氧氣作為原料，當(dāng)樣氣中的氧進(jìn)入燃料電池后，將獲取電子轉(zhuǎn)換成離子態(tài)，再通過(guò)電解質(zhì)的傳遞最終與陽(yáng)極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)物之一是樣氣中的氧，另一反應(yīng)物是存儲(chǔ)在電池中的陽(yáng)極，綜合反應(yīng)是樣氣中的氧分子和陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，最終生成陽(yáng)極材料的氧化物。這種反應(yīng)類似于燃料電池的反應(yīng)機(jī)理，因此稱此類傳感器為燃料電池式。在化學(xué)反應(yīng)中，陽(yáng)、陽(yáng)極之間發(fā)生電子遷移，如用導(dǎo)線將共連接，將會(huì)有電流產(chǎn)生，該電流的大小與進(jìn)入傳感器中的氧分子數(shù)量成正比關(guān)系，因此只要準(zhǔn)確測(cè)量出陽(yáng)、陽(yáng)極之問(wèn)的電流便可得出樣氣中的氧含量。
燃料電池式氧氣體分析儀的核心部件是傳感器。傳感器是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，一般由陰極、陽(yáng)極和電解質(zhì)等組成。燃料電池式氧氣體分析儀的使用較為廣泛，既可用于測(cè)量微量氧，也可用于測(cè)量常量氧(區(qū)別在于滲透膜的厚度）。但在測(cè)量常量氧時(shí)其測(cè)量精度和長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性均不如磁式微量氧氣體分析儀，只適用于要求不高的場(chǎng)所。但在測(cè)量微量氧時(shí)，燃料電池式微量氧氣體分析儀則具有較大優(yōu)勢(shì)，測(cè)量下限可達(dá) 0.1 ×10-6，而磁式氧分析儀的測(cè)量下限一般為 0.1%。因此燃料電池式微量氧氣體分析儀一般應(yīng)用于專業(yè)的高純氣體生產(chǎn)以及對(duì)氧含量需精準(zhǔn)控制的電子生產(chǎn)廠家等。
事實(shí)上， 燃料電池氧傳感器是完全免維護(hù)的。但是在使用過(guò)程中，需要經(jīng)常校準(zhǔn)，確保其測(cè)試的準(zhǔn)確性工采網(wǎng)推薦美國(guó)AII 氧氣傳感器微量氧氣燃料電池 - PSR-12-223。
展開(kāi) 因此，開(kāi)發(fā)一種能在氧環(huán)境下進(jìn)行RDRP的方法是非常重要的。目前所存在的方法大多數(shù)都是將氧氣消耗掉，很少有例子能夠像人類呼吸那樣依賴氧氣。近日，美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的Krzysztof Matyjaszewski教授課題組報(bào)道了一個(gè)快速、綠色、溫和且完全在空氣中進(jìn)行原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）的生物催化體系---酶輔助氧驅(qū)動(dòng)引發(fā)劑再生催化劑原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ICAR ATRP）。該生物催化體系主要由葡萄糖氧化酶（Glucose Oxidase，GOx）、辣根過(guò)氧化氫酶（Horse Radish Peroxidase，HRP）和活性銅絡(luò)合物組成。只有在氧存在條件下ATRP才能順利進(jìn)行，且僅需要ppm級(jí)銅催化劑就表現(xiàn)出對(duì)聚合具有優(yōu)異的控制，從而得到高分子量和低分散性的聚合物。這種方法與生物相關(guān)環(huán)境兼容，為合成各種生物共軛物提供了一種有效途徑。
圖一是生物催化氧為燃料的ATRP的工作原理示意圖。第一步，GOx將β-D-葡萄糖和氧氣轉(zhuǎn)化為過(guò)氧化氫和葡萄糖酸鹽。第二步，HRP將過(guò)氧化氫和乙酰丙酮化合物（ACAC）轉(zhuǎn)化為相應(yīng)自由基（acac*）。第三步，該自由基與單體反應(yīng)生成碳基自由基，隨后將Cu(II)還原為Cu(I)進(jìn)而催化ATRP。
作者通過(guò)對(duì)底物、HRP和Cu催化劑等條件進(jìn)行優(yōu)化，得到一系列結(jié)果列于表一中。通過(guò)間歇式供氧實(shí)驗(yàn)，證明了該方法的時(shí)間控制（如圖二）。最后成功制備了蛋白質(zhì)和DNA生物共軛物（protein-b-POEOMA和DNA-b-POEOMA）,證明了該方法與生物環(huán)境的兼容性。
圖文速遞
圖2. 生物催化的氧為燃料的ATRP原理示意圖。
表1.不同條件下氧為燃料的ATRP結(jié)果
圖2.（M/I/ACAC/Cu/TPMA: 200/1/4/0.2/1）時(shí)間控制實(shí)驗(yàn)的a)動(dòng)力學(xué)研究、b)分子量和分散度變化和GPC曲線。
展開(kāi) 研究方向高效低污染發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放控制技術(shù)
1.新概念燃燒的基礎(chǔ)研究2.排氣污染的后處理技術(shù)3.生物質(zhì)含氧燃料4.發(fā)動(dòng)機(jī)CFD/CAD5.其它研究
研究成果 1、新概念燃燒的基礎(chǔ)研究①HCCI—均質(zhì)混合氣壓縮著火燃燒國(guó)際前沿課題完全消除排氣黑煙，NOx降低99%，熱效率超過(guò)傳統(tǒng)柴油機(jī)和汽油機(jī)。
②GDI—汽油機(jī)缸內(nèi)直噴燃燒國(guó)際研究熱點(diǎn) 可使汽油機(jī)的熱效率提高20~30%。
2、排氣污染后處理技術(shù)①三效催化劑技術(shù) 三效催化劑（TWC）是控制汽油車排氣污染的關(guān)鍵技術(shù)已被國(guó)標(biāo)和行標(biāo)采用。
該技術(shù)成果已在無(wú)錫威孚力達(dá)、海南六合、昆貴所等多個(gè)汽車催化劑生產(chǎn)單位推廣使用國(guó)家環(huán)保局認(rèn)可的汽車催化劑檢測(cè)評(píng)價(jià)單位
②“稀燃汽油機(jī)氮氧化物凈化技術(shù)”和“柴油機(jī)氮氧化物凈化技術(shù)”后處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成及優(yōu)化的兩個(gè)子課題。開(kāi)展了“車用催化轉(zhuǎn)化器非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的研究”，研究中采用了數(shù)值模擬、激光可視化技術(shù)和多參數(shù)在線測(cè)試等多項(xiàng)先進(jìn)手段，研究成果達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先和國(guó)際先進(jìn)水平。
3.生物質(zhì)含氧燃料 “代用清潔燃料在內(nèi)燃機(jī)中的燃燒特性與控制問(wèn)題的研究”項(xiàng)目的支持下，開(kāi)展了醇類、醚類和脂類等生物質(zhì)含氧燃料的研究，在國(guó)內(nèi)第一次詳細(xì)分析了醇類燃料的常規(guī)和非常規(guī)排放特性，能使碳煙降低70~80%。并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了汽車燃料重新設(shè)計(jì)的研究
4、電噴汽油機(jī)進(jìn)氣歧管CFD/CAD
5、其它研究 燃料成分（油品組分）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性的影響 三效催化器與電控汽油機(jī)的匹配優(yōu)化 三效催化器冷起動(dòng)特性及歐III達(dá)標(biāo)對(duì)策 用光纖分光法研究汽油機(jī)燃燒。
展開(kāi) 氫能作為最清潔的可再生能源，因其燃燒熱值大（與化石燃料相比）、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在新能源技術(shù)的研發(fā)中受到了特別關(guān)注。上世紀(jì)七十年代，Nafion膜的發(fā)明極大地促進(jìn)了質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的發(fā)展。
但是，PEMFC陰極的氧氣還原反應(yīng)(ORR)在很大程度上依賴使用大量?jī)r(jià)格昂貴的鉑基催化劑來(lái)加速緩慢的動(dòng)力學(xué)過(guò)程（圖1a）。鉑基金屬的使用帶來(lái)過(guò)高的制造成本，嚴(yán)重制約了PEMFC的商業(yè)化進(jìn)程。研究人員發(fā)現(xiàn)，將PEMFC的電解質(zhì)從酸性轉(zhuǎn)變?yōu)閴A性（即陰離子交換膜燃料電池（AEMFC）；圖1b）能容許使用非貴金屬元素（如3d金屬Co, Ni, Mn等）來(lái)設(shè)計(jì)電催化劑。
圖1. a鉑金在過(guò)去二十年里的價(jià)格變化趨勢(shì)。b 陰離子交換膜燃料電池示意圖。
近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)高敏銳教授課題組利用三維泡沫銅骨架作為基底，通過(guò)陽(yáng)極電氧化形成Cu(OH)2納米線陣列狀模版，依次經(jīng)過(guò)水熱和煅燒前驅(qū)體還原，得到一種新型的三元Ni-W-Cu合金（圖2a）。該方法簡(jiǎn)單易行，并可放大制備得到較大面積的Ni5.2WCu2.2合金AEMFC陽(yáng)極（圖2b）。相關(guān)成果近日以“Ternary nickel–tungsten–copper alloy rivals platinum for catalyzing alkaline hydrogen oxidation”為題發(fā)表在《自然·通訊》雜志上（Nat. Commun. 2021, 12, 2686）。論文的共同第一作者為中科大碩士研究生秦帥，博士后段玉和博士研究生張曉隆。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22996-2
圖2.a Ni5.2WCu2.2合金的合成方法示意圖。
展開(kāi) 目前，柴油機(jī)在機(jī)動(dòng)車中的應(yīng)用比率逐年呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，而機(jī)動(dòng)車尾氣排放已成為城市面臨的主要污染問(wèn)題，柴油車的氮氧化合物( NOX) 和顆粒物( PM) 排放量較高，因此，高效清潔燃燒以及替代燃料的研究受到了越來(lái)越多的重視。而使用含氧燃料或含氧添加劑與柴油混合，被認(rèn)為是降低柴油機(jī)排放的有效措施。國(guó)內(nèi)外研究比較多的醇類替代燃料主要有甲醇和乙醇，丁醇是新近興起研究的新型替代燃料之一。正丁醇作為丁醇的同分異構(gòu)體之一，與甲醇、乙醇相比，其最大的優(yōu)點(diǎn)是親水性差，能夠與汽油、柴油高比例混合，主要的研究方向是用作生物燃料替代物或傳統(tǒng)石油燃料的助溶劑，以增加乙醇等與汽油、柴油的混合比例。正丁醇可以從生物質(zhì)制取，屬于含氧燃料，十六烷值比柴油低，這些特性表明，柴油摻混正丁醇有利于改善柴油機(jī)的性能。國(guó)內(nèi)外對(duì)柴油摻混正丁醇對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響有一定的研究。如在試驗(yàn)臺(tái)架上研究了丁醇比例對(duì)重型柴油機(jī)燃燒和排放的影響規(guī)律。對(duì)正丁醇/柴油不同比例摻混的混合燃料及純柴油在固定轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷下排放情況進(jìn)行了研究。在柴油乘用車中研究了丁醇和柴油混合燃料的燃燒及排放特性。研究了柴油中摻燒大比例丁醇( 丁醇體積分?jǐn)?shù)為40%) 對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放性能的影響。對(duì)正丁醇/生物柴油雙燃料高預(yù)混壓燃( HPCC) 作了試驗(yàn)研究。研究了正丁醇及其同分異構(gòu)體對(duì)柴油機(jī)低溫燃燒性能的影響。這些研究表明: 在柴油中摻混一定比例正丁醇，在保證較高的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性下，可以有效降低排放，在發(fā)動(dòng)機(jī)上有較好的應(yīng)用前景，但在增壓電控高壓共軌柴油機(jī)上的研究鮮有報(bào)道。因此，本文通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，研究了不同摻混比的正丁醇/柴油混合燃料對(duì)高壓共軌柴油機(jī)性能的影響。
展開(kāi) 
氧燃料的最新內(nèi)容
煙氣氧含量的重要性
燃燒效率：適宜的氧含量能夠確保燃料完全燃燒，提高燃燒效率，減少未燃盡的碳和其他污染物的排放。
環(huán)保要求：氧含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致氮氧化物（NOx）生成量增加，而氧含量過(guò)低則可能引發(fā)一氧化碳（CO）和其他不完全燃燒產(chǎn)物的增多。
經(jīng)濟(jì)性：優(yōu)化氧含量有助于減少燃料消耗，降低運(yùn)行成本。
與熱燃煤發(fā)電相比，氧燃料燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣體積減少了大約4倍。由于與燃燒后煙氣相比，氧燃料煙氣的二氧化碳濃度更高，二氧化碳濃度更高(>60%vs12-15%)。因此，與二氧化碳的凈化和壓縮相關(guān)的資本和運(yùn)營(yíng)成本可以顯著降低。氧燃料燃燒也可以提高電廠的效率，從而減少寄生功率損失，這是燃燒后二氧化碳捕獲電廠改造的特征。
此外，化學(xué)鏈燃燒是一項(xiàng)新型捕集技術(shù)，利用金屬氧化物等固體載氧體將空氣中的氧傳遞給燃料進(jìn)行燃燒，避免了燃料與空氣的直接接觸，實(shí)現(xiàn)了在燃燒過(guò)程中CO?的內(nèi)分離。
該技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)開(kāi)展工業(yè)示范，多用于生物質(zhì)發(fā)電廠CO?捕集，在我國(guó)仍在進(jìn)行中試開(kāi)發(fā)。
通過(guò)對(duì)上述捕集技術(shù)的對(duì)比研究，可見(jiàn)其技術(shù)裝置規(guī)模、成本（在中濃度下）、能耗和適用排放源濃度范圍等技術(shù)參數(shù)均有較大差異，見(jiàn)表2。
此外，化學(xué)鏈燃燒是一項(xiàng)新型捕集技術(shù)，利用金屬氧化物等固體載氧體將空氣中的氧傳遞給燃料進(jìn)行燃燒，避免了燃料與空氣的直接接觸，實(shí)現(xiàn)了在燃燒過(guò)程中CO2的內(nèi)分離。該技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)開(kāi)展工業(yè)示范，多用于生物質(zhì)發(fā)電廠CO2捕集，在我國(guó)仍在進(jìn)行中試開(kāi)發(fā)。
通過(guò)對(duì)上述捕集技術(shù)的對(duì)比研究，可見(jiàn)其技術(shù)裝置規(guī)模、成本（在中濃度下）、能耗和適用排放源濃度范圍等技術(shù)參數(shù)均有較大差異，見(jiàn)表2。
煙氣含氧量在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有氧化鋯分析器（插入式及抽取式）、順磁式氧分析器及燃料電池式氧分析器等，激光光譜法也可以用于特殊情況下的氧含量測(cè)試燃煤鍋爐煙氣在線監(jiān)測(cè)在650℃，大多采用插入式氧化鋯分析器直接測(cè)量。
火神引擎
Vulcain 是一種以液態(tài)氫和液態(tài)氧為燃料的低溫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。這些推進(jìn)劑在非常低的溫度下儲(chǔ)存在兩個(gè)獨(dú)立的罐中，因此是“低溫的”。液態(tài)氫處于-250°C，液態(tài)氧處于-180°C。推進(jìn)劑通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的渦輪泵在高壓下輸送到 Vulcain? 發(fā)動(dòng)機(jī)，提供非常令人印象深刻的性能。氫渦輪泵更強(qiáng)大。
但在測(cè)量微量氧時(shí)，燃料電池式微量氧氣體分析儀則具有較大優(yōu)勢(shì)，測(cè)量下限可達(dá) 0.1 ×10-6，而磁式氧分析儀的測(cè)量下限一般為 0.1%。因此燃料電池式微量氧氣體分析儀一般應(yīng)用于專業(yè)的高純氣體生產(chǎn)以及對(duì)氧含量需精準(zhǔn)控制的電子生產(chǎn)廠家等。
事實(shí)上， 燃料電池氧傳感器是完全免維護(hù)的。
工采網(wǎng)提供的美國(guó)Oksidyne 電化學(xué) 氧氣傳感器 - OKS-19生產(chǎn)工程精密電化學(xué)微燃料電池氧傳感器。這些傳感器提供的配置范圍廣泛，分析從0-100.0%的氧氣。廣泛應(yīng)用于監(jiān)控麻醉，重癥監(jiān)護(hù)，培養(yǎng)箱，一般氧氣監(jiān)測(cè)儀中的氧氣分壓等領(lǐng)域。
設(shè)計(jì)并仿真獨(dú)特的推進(jìn)器
Axiom工程師采用以氧和甲烷為燃料的創(chuàng)新型推進(jìn)器，為Axiom Hub One與國(guó)際空間站交會(huì)對(duì)接提供動(dòng)力。
工采網(wǎng)提供的美國(guó)Oksidyne 電化學(xué) 氧氣傳感器 - OKS-1生產(chǎn)工程精密電化學(xué)微燃料電池氧傳感器。這些傳感器提供的配置范圍廣泛，分析從0-100.0%的氧氣。自給式，無(wú)需添加電解質(zhì)，極好的穩(wěn)定性、性能&線性度，競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域替代品可替代City Tech MOX-1, AII PSR-11-917-M, ITG M-16 ，Viamed R-22Vi,Envintec OOM102。
