目前我国船舶CAE工业软件的现状具有:(1)国外商业软件占垄断地位;(2)核心求解算法和模块受制于人;(3)国产化壁垒越来越高;(4)体系散乱、通用性不强等特点。本文瞄准海洋工程基础性能数值预报存在的环境载荷、结构安全性、振动噪声和爆炸冲击等主要、常用且亟待解决的核心问题,以自主研发的数值计算方法和程序为基础,跨学科建立具有完全自主知识产权且直接服务于海洋结构基础性能预报的通用软件SAM(Structure Analysis of Marine Structures)。随后将SAM软件应用于典型海洋工程结构物的总体性能评估中,通过与已有模型试验以及现场实测结果的对比分析,验证了SAM软件的正确性和可靠性。SAM软件的成功研发,可以为海洋结构基础性能预报软件国产化、重大海洋工程装备基础性能设计、评估模式的革命性转变和效能的大幅度提升提供技术支撑。
世界能源消耗很大程度上依赖化石燃料的燃烧,其引发的能源和环境危机使得能源转型成为21世纪人类社会面临的重要课题和挑战。同时,为满足电动汽车、手机、柔性电子等各种新型设备的供电需求,开发低成本、高效、清洁、可再生的新能源转换和存储装置(如锂电池和电解水装置等)至关重要。然而,目前这些新能源装置的电极材料仍然难以满足实用化性能或者严重依赖于贵金属基材料,阻碍了新能源装置的大规模发展和商业化应用。3d过渡金属(如钒、锰、铁、钴和镍等)氧化物,其具有廉价、易于制备、特殊的物理性质、优异的化学稳定性和催化活性等特点,在锂电池、电催化等新能源技术领域有着巨大的应用潜力。合理设计廉价过渡金属氧化物以进一步提高其性能有望解决新能源系统在大规模实用化方面的困难。在本博士论文中,基于廉价过渡金属氧化物,我们开发了一套通用合成方法用于控制其形成二维超薄纳米结构,同时通过非晶化策略在原子尺度下精细调控其原子排列,以显著提高其在特定应用中的有效性。另外,我们利用先进的表征和模拟技术对非晶态过渡金属氧化物中的原子结构进行精确的解析和建模,从而研究非晶材料的短程有序和电子结构影响电荷存储过程和催化转化反应的机理,建立了非晶态过渡金属氧化物二维材料在锂电池和电催化中应用的结构-性能关系。论文的主要内容概括如下:第一章:简要概括了廉价过渡金属氧化物纳米材料的形貌、尺寸以及非晶化调控,阐明了这些调控的重要性、挑战性以及应用研究进展,并以此为基础,论述了本论文选题依据和主要研究内容。第二章:锂硫电池在实现新型高能量密度存储器件方面具有巨大潜力。然而,锂硫电池在放电过程中产生的聚硫化物会溶解到电解液导致循环稳定性下降,限制了其实际应用。为了抑制聚硫化物的溶解,金属氧化物常用作正极材料添加剂吸附聚硫化物,但其吸附能力仍然迫切需要提高。基于此,我们报道通过无机盐作为模板,一步热解金属前驱物乙酰丙酮钴的方法合成了厚度约为10.4 nm的二维超薄非晶氧化亚钴(CoO)纳米片,并用作锂硫电池正极材料添加剂。X射线吸收光谱分析表明非晶CoO纳米片中Co原子周围的配体场对称性发生了变化。我们结合电荷转移多重态计算和密度泛函理论计算解析出相比于晶体CoO纳米片,非晶CoO纳米片中的Co原子周围的配体场对称性由八面体(Oh)构型部分转变为四面体(Td)构型。由于非晶CoO纳米片这种特殊的原子构型,其作为锂硫电池的正极材料添加剂时,能够显著提升锂硫电池的容量、倍率和稳定性。在1C倍率下测试充放电稳定性可实现高达1248.2 mAh g-1的初始容量,循环500次后保留有1037.3 mAh g-1的容量。密度泛函理论研究进一步表明,非晶化诱导的Co原子周围配体场对称性的变化使更多的电子占据高能级,导致非晶CoO纳米片与多硫化物产生较强的结合能,因此实现了高性能锂硫电池。第三章:传统的工业蒽醌法制H2O2存在能源消耗大、环境不友好等问题,通过2电子氧气还原反应(ORR)的电催化制H2O2有望成为替代方法。2电子氧气还原和4电子氧气还原是竞争反应,贵金属Pt和Pd基合金纳米材料表现出高选择性的2电子氧气还原,但贵金属的高成本限制了实际应用。基于此,我们报道了通过盐模板法合成厚度约为12.3 nm的二维超薄非晶氧化镍(NiO)纳米片,为电催化制H2O2提供了一种廉价且性能优异的催化剂。X射线吸收光谱分析表明,非晶NiO纳米片和晶体NiO纳米片的短程有序分别以NiO5椎体和NiO6八面体为主。用于0.1 M KOH中电化学氧还原反应(ORR)生成H2O2的非晶NiO纳米片表现出90%以上的高选择性和高活性(相对于可逆氢电极为0.66 V时,电流密度达到1 mA cm-2),而晶体NiO纳米片倾向于通过4电子途径催化ORR生成H2O。理论计算表明,非晶NiO纳米片的短程有序的改变导致Nid轨道态的改变,从而调节对*OOH中间体的吸附取向和强度,实现高选择性和高活性2电子ORR。第四章:电解水是目前最具潜力的绿色制氢方案,其阳极上的氧析出反应(OER)很大程度上决定了电解水装置的效率。目前用于OER的高效催化剂仍然主要是贵金属基的RuO2和IrO2。因而,开发廉价和高效的OER电催化剂至关重要。在本章节中,我们通过简便的盐模板法合成了高度卷曲的二维超薄非晶态硼掺杂氧化亚钴纳米片(B/a-CoO NSs),其厚度仅为2.2nm。一方面,B/a-CoO NSs的超薄二维结构引起的高比表面积,为电催化OER提供了丰富的活性位点;另一方面,X射线吸收光谱分析表明硼原子的掺杂改变了 Co配位的短程有序,因此提高了本征催化活性。作为结果,B/a-CoO NSs催化剂表现出优异的电催化OER活性,在10 mA cm-2时过电位低至292 mV,优于商业化RuO2催化剂。此外B/a-CoO NSs还表现出优异的O
暂无评论