“挑战杯”申报书填写参考范本(科技发明制作A类)

1、“挑战杯”申报书填写参考范本(科技发明制作A类)之欧侯瑞魂创作时间：二O二一年七月二十九日项目名称：原位生成碳化硅纳米纤维及其对资料性能影响的研究第十二届“挑战杯”作品小类：能源化工年夜类：科技发明制作A类简介：我们开发一条合成单晶纳米复合氧化物La2CuO4纤维的路线.自制碳纳米管为模板，利用水热合成法在温和条件下(60oC)合成出纳米La2CuO4单晶纤维，具比概况积到达105 m2/g,组成为 La2Cu0.882+ Cu0.12+O3.94, 有 12%Cu +, 也有氧空位，并显示出优越的高温 NO分解和甲醇水蒸气重 整制CO2和氢气的催化活性.详细介绍：氮氧化物NOx( NO, N

2、2O等)是最严重的空气污染物.它们是致癌的化学气体、是酸雨的主要成份、也是比二氧化碳更严重的温室气体.普遍发生于各种燃烧过程、发电厂、冶炼厂、汽车尾气、高空雨云闪电，、化工厂(特别是硝酸 时间：二O二一年七月二十九日生产)等.近年来，我国各种汽车数量猛增，尾气排放正在 逐年上升，机械性能较差的或使用年限已较长的发念头尾 气中的NOx浓度要更高.国家对汽车尾气的排放要求越来 越高.所以研制高效氮氧化物分解催化剂(DeNOX非常迫 切.虽然从热力学的角度来看，氮氧化物直接分解的产物 N2 和02比氮氧化物稳定，应该容易进行.但事实上由于中间态 的复杂和对氧物种的敏感，氮氧化物必需在高选择性的催化

3、剂上才华分解为 N2和02.所以DeNOx-直是环境催化领域 里最重要的课题之一.最理想的催化剂是能将氮氧化物直接 分解为氮气和氧气而不需要添加其它化学物.可是理想的氮氧化物直接分解催化剂研究进展缓慢，故不能不加入还原剂 (CO, H2, NH3, CnHm),增进 NO的分解(Selective catalytic reduction-SCR ).目前氮氧化物直接分解催化 剂存在的困难是催化剂只有在高温时才有较高的活性.罕见的直接DeNOX崔化剂有：Cu-ZSM-5,钙钛石或类钙钛石型 复合氧化物如 La1-xSrxMO3 S (M = Co, Ni, Cu), La(Ba)Mn(In)O3

4、, Ag/La0.6Ce0.4CoO3, CeO2, Pr6O11 稀 土氧化物，负载型贵金属Pt/Al2O3.绝年夜部份催化剂只 有在6000c以上才显示较高的活性，所以在高温下(800 oC左右)才华工作(汽车尾气净化器必需装置在很靠近发 念头部位，装配复杂).究其原因：无论是在贵金属催化剂 上,还是在钙钛石型催化剂上，或是在 分子筛ZSM-5-Cu上,氧物种与NM在竞争吸附，且氧物种在高温下不容易脱附， 在氧物种存在下 NO极易转化为 NO2 (O+ NO = NO2 .我 们研究过NO的分解过程：2NO?(NO)2 ?N2O2 ? N2O + O ? N2 + 1/2O2. 若氧能及时

5、脱附，就能促使反应向右边进 行；如果氧不容易脱附，则使反应易向左边进行.在目前的 DeNOx催化剂上，氧的脱附都是在6000c以上才华进行.这 是催化剂为何在高温才有活性的主要原因之一，贵金属催化剂本钱太高.在非贵金属元素中，铜元素是对氮氧化物最有 活性的催化组分.机理研究证明，NOx在铜催化剂上的分解 与催化剂中Cu+和Cu2+之间的氧化还原相互耦合.坚持一 定比例的Cu+是关键.在一般的氧化物和担载催化剂上,Cu2+和Cuo都比力容易稳定，但Cu+则不宜获得.在具 有特定晶体结构的含铜氧化物中可以通过氧缺陷的存在和搀杂高价态元素来稳定 Cu+ .在类钙钛石型催化剂 La2CuO4 中，氧缺

6、陷的存在 La2(Cu+) B (Cu2+) % O4 - S B + 2 % +6 = 2 (4- S) ; % + B =1或通过搀杂 Ce4+可以稳定 Cu+ 并调控其含量，La2-xCex (Cu+)y(Cu2+)z O4 3 (2-x)+ 4x + y + 2z = 8; y+z=1. (CeO2 自己对分解 NO一定活性).规整结构中的氧空位为氧物种提供了场所，而且氧在其上的脱附相比较在氧化物晶格中容易.比力两类典范的催化剂，各有利弊：Cu-ZSM-5比概况积年夜，但不宜调变 铜离子的价态，热稳定性差，而且极易受水蒸气和 SO2中毒.钙钛石型复合氧化物可以调变铜离子的价态甚至组成，

7、热稳定性好，但该类化合物的比概况积很小，一般只有2到3 m2/g,用溶胶凝胶法最年夜能制备出13 m2/g.所以若能制备年夜概况的具有特定结构的钙钛石型复氧化物可能会获得一类性能优越的氮氧化物分解催化剂.普通的合成方法 制备不出比概况积很年夜的钙钛石型复合氧化物.我们的团队主要是开发一条合成单晶纳米复合氧化物La2CuO钙维的路线.采纳自制的碳纳米管作为模板（碳纳米管的加入量 很少，在目标产物中含量1wt%）,利用水热合成法在温和条 件下（60oC）合成出纳米La2CuO4单晶纤维，其比概况积 至口达 105 m2/g,组成为 La2Cu0.882+ Cu0.12+O3.94, 有12%Cu+

8、,也有氧空位，并显示出优越的高温 NO分解（在 300oC能将NC解为N2和02而且在60小时内坚持活性不下降）和甲醇水蒸气重整制C02和氢气的催化活性.普通方法制备的La2CuO4粉组成为La2Cu0.922+ CuO.083+04.04,比概况积只有2.7 m2/g, 其催化活性年 夜年夜劣于纳米La2CuO钙维.作品专业信息设计、发明的目的和基本思路、立异点、技术关键和主要技术指 标合成高比概况积、适当 Cu+/Cu2+比例的类钙钛石型复合氧化物 La2-xCex (Cu+)y(Cu2+)z O4 (x = 01) (简称LCCO系列单晶纳米纤维和纳米晶粒.获得能在高温(300oC左右)

9、下将氮氧化物直接分解为氮气和氧气而且具有长寿命的催化剂.探索氮氧化物在该类催化剂上的催化分解机理和催化剂维持高活性的需要概况结构条件.研制出非贵金属汽车尾气净化催化剂.科学性、先进性以碳纳米资料为模板合成高比概况积和特殊概况(孔道)结构的 La2-xCex (Cu+)y(Cu2+)z O4 - S (x = 01) 纳米纤维和纳米晶粒，该结构能稳定并调变 Cu+(对yS化NOx有利)及氧空位含量(对氧物种的脱附有利)，进而在高温下能高效直接分解氮氧化物.该种方法为首次发明的方法并已取得了初步的功效.该催化剂用在汽车尾气净化上，将避开贵金属年夜年夜节约本钱，为铜资源开辟了新的高技术应用领域.获奖

10、情况及鉴定结果无作品所处阶段本作品已完成实验样品的制作.技术转让方式无作品可展示的形式反应器实物样品.使用说明，技术特点和优势，适应范围，推广前景的技术性说明，市 场分析，经济效益预测该法使用高分散的碳纳米资料作为模板，且对碳纳米资料的使用量很小，一克碳纳米管可以制出一千克La2CuO4纳米纤维，碳纳米管及纳米洋葱碳目前的制备已不是难题，售价也不昂贵，我们自己的实验室就能制备.水热合成是制备分子筛资 料的惯伤J方法，本钱和放年夜都不存在技术难题.我国具有丰 富的铜资源，如果把丰富的铜元素用作汽车尾气净化及环境 呵护财富上，将对我国铜资源开发和利用有重年夜的意义.同类课题研究水平概述国外减排产物

11、一般也只能减排20% 40%,无法完全解决年夜中城市汽车尾气污染的难题，特别是对氮氧化物的净化非常 不完全.碳氢化合物和一氧化碳的深度氧化催化剂较易制备，但氮氧化物分解催化剂则很难获得，往往需要贵金属，如镂和钳等.即使含有贵金属的催化剂，随着使用时间的增加，对氮氧化物的处置能力也会逐渐变弱 .目前的三元催化剂一般都 含有贵金属，所以较昂贵.DeNOx 一直是环境催化领域里最重要和难度最年夜的课题之一.罕见的直接DeNOX崔化剂有：Cu-ZSM-5 1, 钙钛石或类钙钛石型复合氧化物如La1-xSrxMO3 S (M = Co, Ni, Cu) 2、 La(Ba)Mn(In)O33、Ag/La0

12、.6Ce0.4CoO3 4,稀土氧化物如 CeO2 Pr6O11 5,负载型贵金属 Pt/Al2O36等.绝年夜部份催化剂只有在6000c以上才显示出较高的活性，所以在高温下(800oC左右)才华工作(汽车尾气净化器必需装置在很靠 近发念头部位，装配复杂).在目前的DeNOx催化剂上，氧的 脱附都是在6000c以上才华进行，这是催化剂为何在高温才 有活性的主要原因之一.贵金属催化剂本钱太高.项目名称：风力发电和变频抽油机群共直流母线能量管理系统 来源：第十二届“挑战杯”作品小类：机械与控制年夜类：科技发明制作A类简介：目前，油田抽油机是油田最年夜耗电年夜户，平均效率仅为25.96%.我国的多为

13、低渗透低产油田，以电能换石油是我国油田产油现实情况.本方案通过改变抽油控制战略，立异性的将 多台抽油机组成一个系统并联运行，经过实时监控，进行自动控制调整速率，提高抽油每次抽有效率，用最少的电能换取最 多的石油.而且将风能引入到本方案作为抽油机提供清洁能 源.此方案不单对原油增产、原油生产本钱降低和缓解以后 能源紧张状况具有重义.详细介绍：目前，油田抽油机（俗称磕头机）是应用最普遍的石油开采机械之一，也是油田耗电年夜户，其用电量约占油田总用电量的40% ,且总体效率很低，据调查我国平均效率为25.96%,而国外平均水平为 30.05%.我国的油田不像中东的油田那样有很强的自喷能力，多为低渗透的

14、低能、低产油田，以电能换石 油是我国油田产油现实情况.以往节能方案是研制节能机电， 到达节能效果，可是要更换机电本钱较年夜，晦气于推广.本方案通过改变抽油控制战略，立异性的将多台抽油机组成一 个系统并联运行，经过实时监控抽油量，进行自动控制调整速 率，减少抽油机抽油过程的不需要损耗，提高抽油效率，而且将抽油机发电发生的能量通过并联系统输送到有需要的抽油机上，从而用最少的电能尽可能换取最多的石油.不单如此，此方案还为风电这种清洁能源的使用开创了新思路，将风能引入到本方案作为抽油机使用的能源的一部份可以有效地减 少对电网电能的使用以及使用电网电能时在传输线路上的损 耗.通过对抽油控制技术的改进来节

15、省电能，将对提高系统效率实现节能降耗有很积极的作用，不单对原油增产、原油生 产本钱降低和企业经济效益的提高有重要意义，而且对缓解以后能源供应紧张状况也具有重要意义.设计、发明的目的和基本思路、立异点、技术关键和主要技术指 标一、发明的目的 通过PLC控制核心和变频器，通过传感器能 够到达自动控制抽油机速率的效果，从而提高抽油机运行时的抽有效率，而且充沛利用抽油机倒发电发生的能量.以风能 部份取代电网，使用清洁能源，减少电网负荷.二、作品设计 思路 本方案中PLC根据油量信息控制变频器，使抽油机在高 效率的转速下运行，防止空捞造成的能量损耗，而且通过接近 开关了解抽油机的上下位置，协调处于发电状

16、态和电动状态 的抽油机的数量（尽量到达1:1 ）,使下冲程的抽油机发的电尽可能多的被上冲程的抽油机利用，减少再生能量损耗.系统所有的变频器通过共直流母线连接，风力发电系统也连接到直流母线上，为抽油机提供清洁能源.当风能过剩时,直流 母线电压超越阈值时,利用能量回馈单位将过剩能量回馈到 电网.此方案实现了抽油机群内部能量的有效分配和管理，充沛利用了清洁能源，真正实现了抽油机系统的节能增效.三、立异点1 .根据每口井的出油情况和抽油机相对位置，PLC控制变频器，调节转速、调配分歧抽油机的上下冲程，实现抽油机群内部能量互馈，减少从电网吸收电能，最年夜限度提高 采油效率.2 .将风电电能并入直流母线，

17、使风能以非并网的 方式更有效地被抽油机利用，减少风能的并网本钱.3 .通过 流量传感器，了解抽油机的抽油效率，自动调节抽油机转速， 使抽油机高效率下运行.四、节能效率 以四台容量 45kw抽 油机一天耗能为例进行节能计算：可以到达26.2%的节能效率（详细计算内容附于方案论文5.2方案节能效率计算）科学性、先进性与油田现实比力、突出质性技术特点现实情况是一般抽油机直接与电网相连接，没有节能控制、只能在而定电压下运 行，效率很低、无功很年夜、线损也很明显.而小部份加装了变频器，可是不能够根据采油情况自动调节转速，只能几天或者一个礼拜调整一次，滞后性严重，而且抽油机倒发电的能量 也无法加以利用，白

18、白浪费在能耗电阻上.本系统能够根据 流量传感器、霍尔元件自动检测抽油机的能量流动状态（发 电、耗电、及运行效率）控制转速使抽油机防止空抽半抽（由于我国多为低渗透低产油田），而且通过接近开关了解抽油机的运行位置，调配抽油机倒发电能量流动，使抽油机相互使用彼此发出的能量.通过两种控制年夜幅度增加抽油机 的运行效率 26.2%以上.自动调控提高运行效率、控制能量 流动、使用洁净能源和节约电能是本方案的最实质性的技术 特点.获奖情况及鉴定结果1、2010年“施耐德电气杯”全国年夜学生节能增效立异年夜赛特等奖（第一名）2、第十二届“挑战杯”全国年夜学生课外学术作品竞赛山东省特等奖.3、携作品介入中国科协

19、第十二届年会.4、携作品代表年夜学访问法国巴黎施耐 德电气全球总部.作品所处阶段A实验室阶段技术转让方式洽谈转让作品可展示的形式现场演示、图片、录像、实物，产物使用说明，技术特点和优势，适应范围，推广前景的技术性说明，市 场分析，经济效益预测一、技术特点 PLC检测抽油机的运行状态而且通过油量传 感器检测油况，协调控制由直流母线并联的逆变模块，控制机电转速，调配上下冲程状态，使抽油机发生的电能能够内部份 配使用.当风电电能过剩时,招致直流母线电压过高，系统可 以通过能量回馈单位返回电网 .上位机总体调控各 PLC.自动 检测控制能量流动，节约电能是本方案的技术特点.二、方案 适用场所1、本方案因为风力发电系统的原因，适用在风力资源较丰富的油田地域.2、因为本方案是采纳群控技术，所 以适用于油井较为密集的油田.3、应用该系统可以减少线损，所以适用于抽油机输电线路很长的处所.