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杯芳烃包合纳米催化剂的制备及其在碳氢燃料中的应用

杨凤军  
【摘要】: 吸热型碳氢燃料作为一种可燃冷却剂,可以同时满足飞行器动力及热管理双重需求,而对于马赫数大于5以上的高超声速飞行器而言,燃料吸热能力尤其重要。本文围绕如何提高碳氢燃料化学热沉展开,针对吸热型碳氢燃料实际使用条件的特殊性,着重探索了碳氢燃料的拟均相催化可行性,为吸热型碳氢燃料最终服务于高超声速飞行器提供了重要的理论基础和技术支持。主要工作和取得的成果如下: 分别以对叔丁基苯酚和间苯二酚为原料,合成了一系列杯芳烃及其衍生物,根据杯状空穴结构以及油溶性差异,发现2,8,14,20-四(十一烷基)杯[4]间苯二酚芳烃具有最优的包合作用。以水合肼为还原剂成功制备了油溶性的杯芳烃包合的纳米Ni颗粒,随着配体量的减少,反应温度的升高,所得纳米Ni颗粒形貌由球形逐渐变为海胆形。考察了不同反应条件对产品的影响,发现以水-乙醇为溶剂,n(配体):n(Ni~(2+))=1:4,碱浓度为0.8 mol/L为最佳条件。此外,还以硼氢化钾为还原剂,甲苯-水两相反应,制备了树枝状的非晶态Ni-B合金。研究中发现,反应温度对枝状结构的平均直径影响较大,当反应温度为70℃时,平均直径最小,为20 nm。 自制的纳米Ni颗粒以及非晶态Ni-B合金不仅可以作为高能添加剂,还具有一定的催化活性,可以将所制备纳米颗粒分散在碳氢燃料中考察它们的催化能力。当用于DCPD催化加氢时,纳米Ni催化剂可使产物的收率为96.91%,效果优于负载型Ni/ZSM-5催化剂;当用于JP-10催化裂化时,纳米Ni以及非晶态Ni-B合金催化剂可以显著提高JP-10的裂解转化率,相对于热裂解,转化率最大可提高50%,不同催化剂活性顺序为:Ni(b)>Ni(a)>非晶态Ni-B合金。其中非晶态Ni-B合金催化裂解的最佳温度范围为530~580℃,纳米Ni催化裂解的最佳温度范围为540~600℃。 本文还进行了吸热型碳氢燃料配伍研究,考察利用直链烷烃改善JP-10等高密度碳氢燃料热化学性质的可行性。测定了正辛烷和正癸烷与JP-10混配的两个二元体系在不同组成和温度下的密度和粘度,计算了二元体系相应的超额体积和超额粘度。结果发现在298.15 K时,正辛烷+JP-10二元体系在X_(n-octane)=0.544处,V_m~E具有最小值,体积热值约为36.17 MJ/L。而正癸烷+JP-10二元体系在X_(n-decane)=0.615处,V_m~E具有最小值,体积热值为36.43 MJ/L,略高于正辛烷+JP-10体系。根据Eyring液体粘性流动理论,关联了二元体系的粘滞性活化参数,粘滞性活化熵对吉布斯自由能的贡献比较大,熵驱动居于主导地位,表明混合燃料在混合过程分子间相互作用影响较小,研究结果为燃料配伍研究提供理论信息。


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