洁净煤技术杂志

洁净煤技术杂志2025年第12期

• 质子交换膜电解槽和燃料电池故障机理与诊断

  刘文淼, 李建中, 章雷其, 吴启亮, 钱相臣, 林沁, 杨志宾, 胡亮

  随着全球能源体系向低碳化、清洁化转型，利用氢能发电与水电解制氢储氢已逐渐成为降低化石能源依赖和加速电网新能源转型的重要方式。制氢和发电装置是其中的关键设备，其性能、稳定性和寿命直接关系到氢能产业链的整体效率与应用前景，基于质子交换膜的燃料电池发电与电解水制氢技术具有良好发展前景，但成本和耐久性仍然有待提升，限制了其进一步的商业化。首先简述了基于质子交换膜技术制氢和发电与其他方法相比较的优势。接着，详述了质子交换膜电解槽故障机理与诊断方法，针对膜的降解和流场堵塞等典型故障，分析不同故障产生的原因、对设备中关键部件的影响及缓解措施，综述了基于模型和基于数据的故障诊断方法，比较了不同诊断方法的原理、研究成果与优劣势。然后，梳理了质子交换膜燃料电池的工作原理，分析了典型水淹和膜干故障产生的原理及对设备的影响；综述了质子交换膜燃料电池故障诊断方法的最新进展，对比基于试验、基于模型和基于数据的故障诊断方法的原理、研究成果与优劣势。最后，从故障机理与模型建立、在线诊断与多故障分类、故障缓解与控制策略优化以及综合发展4个层面提出未来发展方向，包括构建可用于诊断的多物理场机理模型并融入老化规律；发展适应实际工况的在线诊断方法，提高复合故障识别能力；优化控制与缓解策略，实现自适应调节；结合燃料电池的成熟经验，发展针对电解槽特性的诊断体系，提升系统可靠性。

• 碳化钼基电催化剂析氢研究进展

  李建华, 杨介宇, 黄麓璇, 吕任生, 金学坤, 陈晟熙, 陈凤娟

  在全球能源需求持续增长与碳排放压力日益加剧的背景下，开发高效、清洁的能源转换技术已成为当今科学研究与工程应用的重要方向。氢能因其高能量密度、零碳排放和可持续性被视为最具潜力的替代能源之一。电解水制氢技术能够以水为原料产生高纯度氢气，过程中几乎不产生CO2，是一种环境友好的制氢方式。然而，该技术的商业化应用仍高度依赖高效、稳定的电催化剂，以降低析氢反应（HER）的过电位并提高能量转换效率。贵金属铂（Pt）基催化剂虽表现出优异的HER活性，但其高昂的成本和有限的资源严重制约了其大规模应用。因此，开发具有高活性、高稳定性且成本低廉的非贵金属电催化剂成为当前研究的重点。在众多候选材料中，碳化钼因具有类铂的d带电子结构和良好的电导性，在宽pH范围内展现出卓越的电催化析氢性能，被认为是最有希望替代Pt的催化剂之一。然而，碳化钼仍存在氢中间体（H*）吸附过强、活性位点易被覆盖、比表面积有限及长期稳定性不足等问题，限制了其实际应用。本研究旨在系统综述碳化钼基电催化剂在HER中的最新研究进展，重点关注其电子结构特性、合成方法、性能优化策略及反应机理。首先，从电催化析氢的基本机理出发，结合碳化钼的晶体结构与电子性质，分析其作为HER催化剂的潜在优势与现存挑战。其次，系统梳理了碳化钼的主要合成策略，包括高温碳化法和气相沉积技术，评述了各类方法在控制材料形貌、尺寸和界面结构方面的优缺点。进一步地，从电子结构调控、界面工程、复合结构构建等多个维度，总结提升碳化钼HER性能的改性途径，如构建异质结、杂原子掺杂、碳基复合、缺陷工程等，并借助密度泛函理论（DFT）计算深入揭示其催化机制与构效关系。最后，基于当前研究中存在的问题，对未来碳化钼基催化剂的发展方向提出展望。本综述经系统分析与讨论表明，通过对碳化钼进行合理的结构设计与性能调控，可显著增强其HER催化活性与稳定性，为其在电解水制氢中的实际应用提供理论依据与技术路径。未来的研究应更注重材料设计与机理研究的深度融合，推动碳化钼基催化剂从实验室向产业化迈进。

• 氧化物半导体调控策略及光催化制氢研究进展

  徐英, 王晴, 杨柳清, 王学朋, 周卫

  光催化分解水制氢技术因其绿色、可再生和环境友好等优势，在清洁能源开发与“碳中和”目标实现中备受关注。光催化剂作为反应的核心，其物理化学性能直接决定了光催化制氢过程的效率与可行性。氧化物半导体因具有结构稳定性高、制备工艺简便、原料成本低廉以及化学性质可调等优点，已成为光催化制氢研究的重要材料体系。然而，该类材料普遍存在可见光响应范围有限、光生电子–空穴对易复合、表面反应动力学缓慢等固有缺陷，显著制约了其在实际应用中的性能发挥。因此，亟需通过有效的结构与性能调控手段，提升其光吸收能力、载流子分离效率及表面催化活性。系统综述了近年来氧化物半导体光催化剂在制氢领域的性能调控策略及最新研究进展，重点分析了3类典型方法的作用机制与优化效果。表面工程通过构筑特定缺陷、引入表面等离子体效应、沉积助催化剂等方式，有效增加光吸收与反应活性位点数量，并调控表面能级结构；界面工程利用异质结构设计实现界面能带匹配与内建电场调控，从而促进光生载流子的定向迁移与空间分离，同时保持较强的氧化还原能力。极化工程依托压电或铁电材料在外力或温度变化下产生的极化电场，构建稳定的内生电势梯度，实现对载流子分布与反应路径的有效调控。通过对不同调控机制的原理解析与代表性研究成果的对比，总结了各策略在提升可见光利用率、延长载流子寿命及提高产氢速率方面的优势与不足，并指出当前研究仍面临界面精细调控难、缺陷可控性不足及长期稳定性有限等挑战。在此基础上，提出未来可结合多策略协同设计、原位表征与理论计算及工程化应用探索等方向开展深入研究，以推动氧化物半导体光催化制氢技术向高效、稳定及可规模化的目标迈进。

• 两步式金属氧化物热化学循环制氢研究进展

  徐帅杰, 刘砚欣, 陈锐, 曹希, 卜昌盛

  两步式金属氧化物热化学循环制氢技术是一种利用高温热源驱动金属氧化物氧化还原反应实现水分解的清洁制氢方法。该技术是通过高温（1000～1500 ℃）下金属氧化物在惰性气氛中热分解释放氧气，生成低价态氧化物，随后在中低温（500～800 ℃）下低价态氧化物与水反应生成氢气并恢复初始形态的两步循环，实现了高效、高纯度的氢气生产。相较于直接热水解，其核心优势在于温度适用性强，可与太阳能、核能等零碳热源深度耦合；氢气与氧气分步生成，氢气无需分离即可达到高纯度；金属氧化物作为载氧体可循环使用，这为大规模清洁制氢提供了重要路径。基于此，系统性综述了该技术的研究进展，详细介绍了以单金属氧化物、复合金属氧化物、引入还原介质的协同还原为代表的3类反应体系，重点阐述并分析了3类反应体系下金属氧化物材料的选择与结构设计、反应温度与气氛调控、反应动力学与传质过程优化、催化剂与添加剂以及系统设计与工艺集成等因素对制氢特性的影响规律和机制，总结了提升各反应体系下制氢效率与稳定性的策略，指出了高温烧结、反应动力学迟缓、系统成本较高等仍是该技术进一步发展面临的挑战。未来研究可聚焦新型高效载氧体开发，调控氧空位浓度，进一步降低反应温度；反应器结构创新型设计，提升效能；以及多热源耦合智能控制系统构建等方面，推进两步式金属氧化物热化学循环制氢技术向规模化、低成本化发展。随着“双碳”目标的不断推进，该技术有望为能源结构转型和绿色低碳发展提供有效可行的路径。

• 化学储氢材料的合成与应用研究进展

  张骁, 刘佩, 和佳欢, 周强, 杜昕倩, 赵佳腾, 刘昌会

  近年来，随着全球对低碳经济和能源转型的日益关注，氢能因其高能量密度和零排放特性，成为各国能源战略中的关键组成部分。与物理储氢技术相比，化学储氢因其能够在常温常压下提供更高的储氢容量和更稳定的储存过程，已成为氢能研究的重点方向。本文回顾了化学储氢材料的研究进展，主要集中于金属氢化物储氢和有机液体储氢两大技术，分别探讨了它们的储氢机制、性能优化及可持续发展路径。主要分为以下内容：金属氢化物储氢技术的研究进展，涉及不同金属氢化物储氢材料的性能优化、反应器优化设计及其经济性与环境影响评估；有机液体储氢技术的研究现状，讨论了有机液体储氢材料的选择、催化剂优化及其经济性与环境影响；其他化学储氢技术与方法，包括改性碳材料化学吸附储氢、化学储氢与固体氧化物燃料电池的结合，以及化学储氢与绿色制氢技术的结合。以上技术的深入比较与分析，旨在为未来化学储氢技术的优化与应用提供理论支持，并为氢能的可持续发展提供借鉴与参考。

• 铜基量子点光催化太阳燃料转化研究进展

  赵春元, 项祥林, 杨健, 赵宗彦

  随着全球工业化进程的持续加速，能源供需矛盾日益突出。传统化石能源的过度消耗不仅引发资源枯竭危机，更带来严重的环境问题，开发与利用可持续能源已成为全球共识下解决能源危机的核心路径。在众多能源转化技术中，光催化技术能直接将清洁、可再生的太阳能转化为稳定的高能量密度化学能（如氢能、碳氢燃料等），为能源结构转型升级提供了极具创新性的解决方案，成为近年来能源与材料领域的研究热点。铜基量子点作为一种新型半导体纳米材料，凭借其独特的量子尺寸效应、可调的光吸收特性、高载流子迁移率等优势在光催化领域崭露头角。此外，相较于传统贵金属基催化材料，铜基量子点具有环境友好、原料储量丰富且成本低廉的优势，更符合规模化应用的实际需求，在光催化领域展现出不可替代的广阔应用前景。系统梳理了铜基量子点在光催化太阳能转化中的研究进展。首先，从量子点的基本特性入手，阐述其量子尺寸效应、表面效应等核心特征，并介绍了溶胶凝胶法、热注入法、水热合成法等主流制备方法。其次，按照化学组成对铜基量子点进行分类阐述，包括铜量子点、合金量子点、氧化物量子点、硫化物量子点、硒化物量子点等。在此基础上，系统总结了铜基量子点在光催化分解水制H2、产H2O2，以及CO2还原制备碳氢燃料等光催化能源转化领域的应用机制及其进展。最后，对铜基量子点在太阳燃料转化领域的发展趋势和前景进行了展望。旨在为铜基量子点光催化材料的理性设计与性能优化提供明确的方向指引，并为拓展其在可持续能源转化系统中的实际应用提供一些理论依据和试验指导。

• 金属氢化物储氢/放氢过程中热管理技术的研究现状及进展

  宋佳佳, 王胜杰, 张浩哲, 郭文强, 吕强, 杨利冬, 高明

  金属氢化物储氢因其高安全性和较高储氢密度，在未来氢能产业中展现出广阔的应用前景。然而，储氢/放氢过程伴随剧烈的放热/吸热反应，且储氢合金在循环过程中易发生反复胀缩，导致床层热导率降低，引起储氢/放氢性能衰减。因此，热管理技术成为提升储氢/放氢性能的关键。研究梳理了近年来在金属氢化物储氢反应器的几何形状、储氢材料改性、外部冷却系统以及内部换热结构（翅片、圆管和螺旋管等）等方面的研究进展。结果表明：不同几何形状的反应器在传热效率和空间利用率方面各有特点，通过掺杂高热导率介质与优化换热结构可显著改善温度场分布并缩短储氢/放氢时间，但会降低储氢容量；外部冷却系统虽能增强整体传热能力，但内部冷却结构在缓解局部过热方面更具优势；复杂的翅片结构与螺旋管结构在提升换热效率和减小温度梯度方面表现优异。虽然制造成本与结构复杂性仍是应用瓶颈，但热管理技术的持续创新已为金属氢化物储氢反应器在规模化应用与工程化推广中提供了坚实基础。

• 石墨相氮化碳在抗菌领域的机制与应用进展

  徐慧妍, 张晓宇, 丁龙华, 于欣

  石墨相氮化碳（g-C3N4）作为一种具有独特能带结构与良好化学稳定性的金属自由半导体材料，近年来在抗菌材料领域受到广泛关注。面对细菌感染加剧、耐药菌快速增殖以及传统抗生素效力逐渐下降的现状，开发新型高效且不易诱导耐药性的抗菌技术已成为迫切需求。基于光催化和纳米酶催化特性的抗菌策略为解决上述难题提供了新的思路，其中以g-C3N4为核心的材料体系因其结构可调、比表面积高、可见光响应强、生物相容性良好等优势，在多种抗菌场景中展现出卓越潜力。系统综述了g-C3N4基材料的抗菌机制与应用进展。首先，从结构层面介绍了g-C3N4的层状构型、丰富的表面氮基团及可通过掺杂、构筑异质结、引入缺陷等方式实现的电子结构调控。这些特性显著提升了其光生载流子分离效率与反应活性，为高性能抗菌功能的实现奠定了基础。在抗菌机制方面，总结了g-C3N4基材料的多途径杀菌模式。其一，通过片状结构造成细胞壁接触损伤，可产生一定的物理杀菌作用。其二，在光照条件下，材料可激发电子−空穴对并参与氧化还原反应，进而产生活性氧自由基（Reactive Oxygen Species，ROS），这些自由基能够破坏细胞膜完整性、氧化蛋白质，是g-C3N4光催化抗菌的核心。其三，部分经金属负载或改性的g-C3N4体系表现出类酶催化活性，可模拟过氧化物酶或氧化酶特性，进一步增强抗菌效率。多机制协同作用不仅显著提升杀菌速率，也降低细菌产生耐药性的可能性。在实际应用方面，从水体净化、空气消毒、医学抗感染和功能涂层4个方向进行梳理。在水处理领域，g-C3N4可以利用可见光驱动高效灭活水体中的致病菌，并可与过滤膜、吸附材料等结合构建连续流杀菌系统。在空气净化方面，其作为催化滤层可有效抑制空气中细菌及病毒的传播。在医学领域，g-C3N4基纳米材料凭借光动力或光热增强效应，可用于创面杀菌、植入物防感染及皮肤修复。在抗菌涂层方面，通过将g-C3N4复合进聚合物、金属或陶瓷表面，可实现持久、可再生、环境友好的抗菌保护。最后，总结了当前研究成果并指出未来仍需关注的问题，包括提高光生载流子利用效率、明确生物安全性、深入研究多机制协同效应以及推动材料的规模化制备等。

• 现代能源化工过程涉氢环境中金属氢脆研究的多尺度现状分析与展望

  蒋小霞, 李营, 尤佳乐, 张涛, 刘浩伟, 李永红, 白红存

  氢脆是现代化工和能源加工过程中涉氢环境下的关键材料失效问题，其复杂性横跨从原子行为到宏观断裂的多尺度耦合过程，直接影响氢能基础设施和化工设备的安全性与服役寿命。然而，目前尚缺乏针对金属材料氢脆的系统多尺度现状分析与展望。借助多尺度研究思想，系统梳理并分析了金属材料中氢脆现象及其作用机制的相关研究，提出未来研究方向与展望。在宏观尺度层面，重点探讨了掺氢比、温度、湿度及外加载荷等服役参数对氢脆敏感性的协同作用规律，揭示这些外部因素如何通过非线性耦合方式调控材料的氢脆失效行为。在介观尺度上，深入揭示了晶粒尺寸、晶界类型及相界面特性对氢扩散与聚集行为的调控机制，阐明不同介观结构特征如何影响氢的局域富集与裂纹萌生路径。在微观尺度上，系统解析了氢原子与位错、晶界、孪晶界及纳米析出物等晶格缺陷的交互作用机制，阐明氢在缺陷处的俘获、迁移与富集行为及其对材料脆化的原子级起源。进一步提出了微观原子–介观晶界–宏观裂纹的多尺度耦合研究方法。通过跨尺度关联揭示多场共同作用下金属材料氢致失效的链式传递机制，构建从氢原子局域富集到介观结构演化再到宏观裂纹扩展的完整失效图景。基于上述多尺度现状分析与展望，可为现代化工和能源加工过程涉氢环境中抗氢脆材料的设计与优化，以及氢能工程的安全评估与寿命预测提供重要的理论依据和科学参考。

• 机器学习在光催化制氢中的应用

  韩祎, 董龙雷

  太阳能光催化制氢作为能源清洁转换利用领域中的关键技术，有望实现太阳能高效利用和低成本绿色制氢，受到广泛关注。目前，基于传统经验试错的研究方法尽管使光催化制氢效率得到一定的提升，但是一直无法突破光催化制氢产业化的效率瓶颈，严重限制其未来规模化应用。机器学习通过构建数据驱动的智能分析范式，正推动光催化制氢领域从传统经验试错向精准预测的研究模式转型，有望助力实现光催化制氢领域的突破。基于此，系统综述了机器学习在光催化制氢中的应用与研究进展。首先，阐释了机器学习技术框架的核心要素，重点解析了光催化数据集的构建策略与特征工程优化路径（涵盖物理化学描述符筛选、高维特征降维、知识嵌入方法等）。其次，聚焦机器学习在光催化领域的应用：在材料性能优化方面，系统总结了机器学习在能带结构精准调控、载流子迁移效率提升及界面异质结智能设计等关键环节的突破性进展；在试验工艺创新层面，重点探讨了基于机器学习的动态参数优化算法、智能高通量试验平台及具备实时反馈功能的自适应模型构建。最后，提出机器学习在该领域的未来发展应着力构建数据–机理双驱动的新型研究范式，开发具有物理约束的可解释模型，以及构建跨尺度动态仿真系统，最终为光催化制氢技术研发提供从微观机理到宏观工艺的全链条智能优化。

• 基于GIS-LCA的质子交换膜氢燃料电池碳排放评价

  张增刚, 张玉坤, 张根宁, 梅琪, 杜浩, 付天赐, 杜艳秋, 闫敏

  为科学评估“双碳”目标下中国氢燃料电池产业的碳排放绩效，突破现有研究对国外数据库依赖性强、缺乏空间异质性考量的局限，研究基于GIS-LCA平台构建了整合地理信息系统与生命周期评价的质子交换膜氢燃料电池（PEMFC）本土化碳排放评价模型，系统核算了PEMFC从原材料生产、运输、组装、使用到报废回收5个阶段的碳排放量，并对比了氢源分别来自于煤气化制氢、甲烷重整制氢、工业副产品提纯制氢及绿电—电解水制氢4种不同制氢路径下的PEMFC全生命周期碳足迹。以额定功率80 kW为功能单位进行计算，结果表明：该燃料电池系统在基础阶段（除使用阶段外的其余4个阶段）的碳排放为1 198.57 kg CO2-eq，其中原材料生产阶段贡献达66.26%。铂的生产是此阶段最大的碳排放源，其碳排放量占基础阶段碳排放的30.73%。当考虑不同氢源的间接碳排放时，使用阶段成为总碳排放的主导环节，燃料电池用氢来源于煤气化制氢方式时的PEMFC全生命周期碳排放最高，为28 698 kg CO2-eq，其次为甲烷重整制氢方式，全生命周期碳排放为14 948 kg CO2-eq，当氢气来源于绿电—电解水制氢方式时，全生命周期碳排放最低，为4 848 kg CO2-eq，仅占煤气化制氢方式下总碳排放的16.9%。

• 不同制氢方法对电转甲烷能效与经济性的影响

  杨丽平, 李婉君, 王艳青, 袁小帅, 沈铮, 黄延强, 蔡睿

  电转甲烷技术具备多重优势，包括减少CO2排放、储存不稳定可再生能源以及通过现有的天然气网络解决H2运输安全性等。在电转甲烷过程中，CO2甲烷化反应具有强放热特性，因此如何实现电解制氢过程与甲烷化反应的热量耦合，已成为当前的研究热点之一。为评估不同电解制氢技术对电转甲烷过程的影响并探索不同电转甲烷技术路线的经济适用性，对高温电解（HTE）制氢与低温电解（LTE）制氢耦合CO2甲烷化的技术路线进行了能效与经济性的对比分析。结果表明，在基准计算参数下，HTE甲烷化路线的能量转化效率高于LTE甲烷化路线，并且经热回收后的HTE甲烷化路线具有更高的能量转化效率，最高可达85.8%。随着能量转化效率的提升，生产成本也得到了优化。尽管HTE甲烷化路线的成本（9.41 CNY/m3）高于LTE甲烷化（8.91 CNY/m3），但热回收后HTE甲烷化路线的成本降低至8.23 CNY/m3，相比LTE甲烷化路线具备一定的成本优势。敏感性因素分析表明，电价是影响生产成本的关键因素。为明确各技术路线的经济适用性边界，进一步探讨了电价变化对其成本影响的关键节点。结果显示，当电价低于0.24 CNY/kWh时，LTE甲烷化路线表现出明显的成本优势，而当电价高于0.24 CNY/kWh时热回收后的HTE甲烷化路线则展现出更好的经济性。随着碳交易体系不断完善，电转甲烷这类减碳技术不仅能降低碳排放，还能通过碳市场交易将环保效益转化为实际经济收入。当碳价超过350 CNY/t时，经热回收后的HTE甲烷化路线可与煤制天然气的经济性水平相当。

• 碳基材料改性高熵合金催化剂电解水氢气泡行为调控机制

  陈春迎, 任李萍, 范金鹏, 陈新, 王奇, 付林, 赵晓辉, 魏进家, 陈杰

  氢能作为一种清洁、高效的可再生能源，被认为是未来能源体系的重要组成部分。其中，电解水制氢因其高氢纯度、零碳排放等优势受到广泛关注。然而，在电解水过程中，析氢反应（Hydrogen Evolution Reaction，HER）和析氧反应（Oxygen Evolution Reaction，OER）的动力学缓慢、高过电位及催化剂稳定性问题，仍然制约着其大规模应用。高熵合金因其多元协同效应、抗腐蚀性和结构稳定性，在电催化分解水制氢领域展现出巨大的潜力。以PtPdCoNiCu高熵合金催化剂为研究对象，重点探讨催化剂的润湿性、导电性与电解水氢气泡行为的相互作用，并通过优化催化剂的表面特性，提高电解水制氢效率。建立了催化剂表面亲水性、导电性与气泡行为及电催化效率之间的关联规律。研究发现，催化剂表面润湿性增强对气泡脱附及HER效率有显著促进作用，而导电性增强可加速电子传输并降低HER反应过电位。研究为高性能电解水催化剂的设计提供了新的思路和试验依据。

• 柠檬酸调控Ni/La3Ce7Ox实现高效氨分解制氢 过渡金属改性及失活作用机制研究

  卢君杰, 张维东, 雷智平, 李占库, 任世彪, 王知彩, 水恒福, 燕小标, 颜井冲

  为开发高效非贵金属氨分解制氢催化剂，探究了过渡金属(Co、Fe、Mn、Cu)掺杂与络合剂(柠檬酸、柠檬酸三铵)改性对Ni/La3Ce7Ox结构与催化性能的影响。研究结果表明：过渡金属掺杂引发催化剂晶粒尺寸生长、比表面积降低、氧空位减少，导致金属–载体相互作用弱化。柠檬酸改性则显著减小催化剂的晶粒尺寸、提高其低温还原性和氧缺陷浓度。催化性能测试表明：添加柠檬酸制备的Ni/La3Ce7Ox催化剂具有优异的催化活性和稳定性，其在气体空速为60000 mL/(g·h)和温度为550 ℃的条件下，氨分解转化率和氢气生成速率分别可达57.5%和39 mmol/(g·min)，且在100 h循环测试中活性保持稳定。以上结果为低成本高效氨分解制氢催化剂的制备提供了参考。

• 金属氢化物储氢反应器动态储氢特性及结构优化

  宋亚伟, 余银生, 李伟卓, 敖运进

  金属氢化物储氢反应器在储氢时，储氢合金的导热系数较小造成内部热量导出不及时，延长储氢时间，制约其工程应用。为解决现有金属氢化物储氢反应器存在的传热传质限制、动态响应滞后等问题，围绕反应器动态储氢特性及结构优化展开研究。建立了传热传质与化学反应耦合的数值模型，获得了储氢过程中温度场、压力场及储氢量的动态演化规律，为提升储氢性能，采用增大储氢合金导热系数或内部强化换热的方法，设计了仅增大储氢合金导热系数以及反应器内部强化换热的仿生蜂窝与螺旋管的新结构，对储氢反应器的结构进行了优化设计研究。研究结果表明：提出的储氢反应器新结构的储氢性能优异：相较合金导热系数为12 W/(m·K)时，90%储氢的时间缩短不到其50%。相较基础结构，90%储氢的时间降幅约84%；随螺旋管内对流换热系数的增加显著提升，但当流速超过1 m/s时趋近饱和；随蜂窝隔板导热系数的增加稳定提升，但增加的幅度较小；在变初始温度与供氢压力工况下，储氢性能提升稳定在84%且不衰减。储氢反应器的新结构设计，显著缩短了导热距离的同时提供更大的换热面积和内冷源。研究为金属氢化物储氢反应器的工程设计与性能提升提供了理论依据和技术支撑，对推动氢能的规模化应用具有重要意义。

• 考虑参与辅助服务市场的电氢耦合制氢机组优化

  谭雯, 谢晓敏, 由婷

  为研究电力市场机制与辅助服务补贴对电氢耦合系统运行优化的影响机制，构建了小时级功率−净收益优化模型。以由20台5 MW碱性电解槽组成的100 MW制氢机组为研究对象，集成分时电价响应、辅助服务补贴及参数敏感性分析，搭建系统协同优化框架。通过设定低谷、平时、高峰3类电价情景，量化分时电价对制氢机组运行策略的调控规律，解析辅助服务补贴对系统经济性的非线性调节效应。结果表明：分时电价显著引导制氢机组最优功率调度：低谷电价下机组在14%额定功率达到盈亏平衡，100%满负荷运行时净收益最大；平时电价下机组均处于亏损状态且最优运行功率为63%；高峰电价下机组以8%低功率模式最小化净亏损。辅助服务补贴呈现出对运行策略的非线性调节作用：在补贴强度为0.1元/kWh时，平时与高峰电价情景可通过功率调节实现盈亏反转；当补贴强度提升至0.2~0.4 元/kWh时，系统决策由“制氢优先”向“服务优先”转变，最优运行功率在低谷情景下降至21%。敏感性分析显示，氢气价格对系统优化结果的敏感性高于固定投资：固定成本变化线性影响净收益，而氢气价格产生显著非线性影响，同时其调控效力受补贴机制抑制。研究揭示了电力市场与服务补贴对电氢系统的协同优化的影响规律，为制氢机组运行策略制定与电力市场机制设计提供了依据。

• Mg-Ni-La-2Mn储氢合金的放氢反应动力学性能研究

  曹飞, 吴豪, 张宇, 刘庆君, 原建光

  氢能作为一种清洁、高效、可持续的能源，在当今能源转型和可持续发展的背景下具有重要的地位。但是，氢能使用过程中尚存在制取成本高、储存运输困难、基础设施不足以及安全性挑战大等问题。其中，氢能的存储和输运是氢能利用中的核心环节，得到了广泛的关注。在诸多氢能储运方式中，镁基固态储氢材料在常温常压下即可稳定存储氢气，大大降低了对附属设备的要求和安全隐患，是一种具有广阔应用前景的储氢方式。但是镁基储氢合金在吸放氢过程中存在较高的温度和较慢的动力学性能，这在一定程度上限制了镁基储氢材料的规模化推广应用。通过加入Ni、La和Mn等元素能够有效提升Mg基储氢材料的性能。但是，Mg-Ni-La-Mn体系储氢合金的放氢温度及其放氢反应动力学机理尚不清晰。为获得Mg-Ni-La-Mn储氢合金的放氢反应动力学特性，首先使用感应熔炼法制备出了Mg-Ni-La-2Mn储氢合金。而后，搭建了实验系统，对Mg-Ni-La-2Mn储氢合金进行了放氢性能测试。然后，基于实验结果分析获得Mg-Ni-La-2Mn储氢合金放氢的Johnson-Mehl-Avrami（JMA）动力学方程和放氢动力学Arrhenius曲线。最后，将获得的Mg-Ni-La-2Mn储氢合金放氢动力学方程编译进入Comsol软件进行数值模拟研究，验证获得的JMA动力学方程和Arrhenius曲线的可靠性。对Mg-Ni-La-2Mn合金进行放氢实验表明，放氢温度在553 K温度以上时，合金能够在2400 s内实现完全放氢。提高放氢温度能够加速放氢速度，减少放氢所需时间。当放氢温度为593 K时，合金样品的最大放氢量及放氢80%所需要的时间分别为6.19%（质量分数）和232 s。通过分析Mg-Ni-La-2Mn合金的JMA方程和Arrhenius曲线，得出该合金放氢过程中的活化能为66.67 kJ/mol，低于现有文献报道值。对Mg-Ni-La-2Mn合金的放氢过程进行的数值模拟结果与实验数据对比后发现，两者放氢量的最大误差为2.81%，温度的最大相对误差为0.04%，验证了建立的Mg-Ni-La-2Mn储氢合金放氢反应动力学方程的可靠性。

• 多物理场耦合的压滤式碱性电解槽性能研究

  胡昌武, 胡晓玮, 贺世禧, 王露, 沈少华

  基于工业压滤式碱性电解槽，考虑微小尺度下气液两相分布导致的碰撞力作用，构建电化学与气液两相欧拉−欧拉湍流流动耦合三维数值模型，系统探究电解液流速、温度及浓度对电解槽性能的单独及耦合影响。结果表明：气泡沿流道积聚导致电流密度降低，使电极利用不均；提高电解液流速至0.25~0.30 m/s时，增强的湍流作用可促进气泡排出，使电流密度提高，但过高的流速会大幅提升设备腐蚀风险；温度为60~70 ℃时，温度对电解质电导率和离子传输的强化作用明显，电流密度达到峰值，但温度过高（>70 ℃）会因气泡积聚引发电解槽性能衰退；KOH浓度为6~7 mol/L时，电解质电导率与离子传输效率平衡，电流密度分布最优。多参数耦合分析进一步表明，高流速可有效抑制高温或高浓度引发的负效应，显著提升电流密度；而高温、高浓度与低流速的组合则会因气泡幕与离子阻滞的协同作用导致性能急剧恶化。结果揭示了电解槽内气相分布及运行参数单独与协同作用对电解槽性能的影响规律，为优化压滤式碱性电解槽设计及运行提供了理论指导。

• MOFs衍生氮掺杂多级多孔碳用于高性能锌碘电池

  周文, 贾德东, 沈泽龙, 桑元华, 何孝军

  多碘化合物的溶解所导致的穿梭效应是制约锌−碘电池（Zn−I2）性能的关键问题。作为Zn−I2电池重要的电极材料之一，多孔碳材料的孔结构和表面化学组成会显著影响Zn−I2电池的性能。采用机械球磨的方法，以纳米氧化锌为模板和金属离子源实现了百克级ZIF-8@ZnO的制备，借助纳米ZnO的物理限域作用和ZIF-8中丰富的微孔及高氮含量，高温热解后获得了大量介孔和微孔共存的N掺杂多孔碳（记为NC-x，x为热解温度）。将NC-x应用于电解质Zn−I2电池，详细研究了其孔结构、N掺杂种类和原子数量百分比等对Zn−I2电池性能的影响：介孔可以缩短电解质的扩散路径，并有效存储所产生的多碘化物，而微孔可以高效吸附I−并抑制\mathrmI_3^- 的生成；石墨氮能够显著提高导电性，吡啶氮和吡咯氮作为化学吸附点，增强了碘物种与碳材料之间的作用力，有效抑制穿梭效应。得益于最优的孔结构、掺杂N类型和含量，NC-1000表现出最佳的电化学性能：高容量（1 A/g时为248.6 mAh/g）、出色的倍率性能（在20 A/g时保持86.1 mAh/g），和优异的循环稳定性（10 A/g下16 000次循环后具有90%容量保持率）。综上所述，通过合理的孔径设计和表面组成调控，可以显著提高多孔碳基Zn−I2电池的性能。