活动预告 | 2024-2025学年第4期清华大学化学工程系博士生公开报告

每单周周三下午14:00-19:00，贯穿秋季学期与春季学期。本次活动时间为11月20日下午14:00-18:40。

1. 博士生作为报告人进行科研工作汇报，全系师生均可参加。

2. 报告前，由报告人导师本人或其委托人介绍报告人基本情况。

3. 每场报告将评选出一位“最佳展示奖”并给予一定奖励。

4. 累计高质量提问10次，获得“最佳提问奖”并给予一定奖励。

5. 累计参加满一学期或者10次公开报告，获得“最佳参与奖”并给予一定奖励。

6. 报告会提供简单茶点。

电膜过程数值模拟研究

张子锐           

导师：王海辉           

摘要：

      电膜过程在化学工程领域具有非常重要的地位，它利用电场驱动力进行分离，可以快速、有效地实现物质的选择性分离和富集，并在保证分离效果同时大幅降低能耗，在越来越重视能源和环境问题的现代社会具有广泛的应用前景。从电膜过程组成上看，其可分成三个部分，分别是离子膜，使用膜的工艺和对应配套的膜器件。大量研究工作针对这三者从实验角度出发开展，以数值模拟为手段的理论验证研究相对较少，缺乏系统性的研究。基于此，本文提出了针对电膜过程的模拟主要可以从两大方面进行研究。一是从电流分布角度出发，运用能斯特-普朗克方程，其中包括离子交换膜制备的研究和电膜工艺中离子排列组合；二是从流体力学角度出发，运用纳维尔-斯托克斯方程，其中包括膜器件的开发研制和电膜工艺中膜膜之间的流体流道。基于以上问题，我们以多物理场模拟为手段，系统开展了电膜过程数值模拟及膜器件设计工作，一是系统性研究了阳离子膜本身性质与离子间的分离效率及离子跨膜通量之间存在的联系，为开发兼具有高通量和高选择性的先进单价阳离子选择性膜提供理论指导设计依据；二是提出了一种新无需外加能源的双极膜反向电渗析闭环利用海水盐差能和盐资源的方法并验证其可能性，同时优化膜器件并评估流体和电流在膜器件中的分布状态。

乙基咔唑体系连续吸放氢反应研究及过程强化

范以薇

导师：张吉松

摘要：

      氢气是长周期储能的理想载体，具有来源丰富、绿色清洁、应用领域广等优势。但氢气的储运是限制氢能大规模应用的瓶颈问题。以乙基咔唑/全氢化乙基咔唑为代表的有机液体储氢技术是一种稳定、高效的储氢方式。然而该过程存在反应条件苛刻、催化剂成本高昂、操作危险等一系列问题。微填充床反应器具有体积小，传质传热能力高，返混小等优势，在加氢、氧化等非均相反应中具有良好的表现。基于此，我们搭建了微填充床反应器内乙基咔唑体系连续吸放氢反应系统，通过工艺优化和催化剂设计，实现了温和条件下，乙基咔唑/全氢化乙基咔唑连续加/脱氢反应，并对反应动力学进行研究，为进一步的反应器放大和工艺优化提供参考和指导。

高性能电致变色智能窗

黄娅

导师：张如范

摘要：

      建筑物采暖和制冷所消耗的能源占据全国总能耗的30%以上，减少建筑能耗是实现节能减排目标的重要途径之一。电致变色智能窗作为一种新型节能技术，其意义在于能够动态调节进入室内的光线，优化室内光照环境，同时降低空调和照明能耗，具有显著的节能优势。然而，目前电致变色技术主要集中在太阳辐射波段的动态调控，缺少对热辐射波段的考虑，进而导致有限的节能效率。因此，为了实现更高效的能源节约，电致变色智能窗的研发需要进一步突破热辐射调控的技术瓶颈，以期达到更全面的光谱管理，从而在节能建筑领域发挥更大的作用。

      基于此，本课题围绕可应用于多场景的多波段光谱响应设计原理、多波段光谱响应的高性能电致变色智能窗设计与制备、可应用于多场景的多波段电致变色智能窗的试验，具体开展环境与建筑内部温度与光谱响应的关系、材料的物理化学结构在电场作用下所发生的变化、多波段光谱响应之间的构效关系三方面的研究，并通过合理的器件结构设计与耦合，充分发挥出高性能多波段响应电致变色智能窗在实际应用中的优势。

高比能长循环锂硫电池电解液设计

李政

导师：张强

摘要：

       锂硫电池具有高达2600 Wh/kg的理论能量密度，是最具有前景的储能器件之一。然而，锂硫电池有限的循环寿命严重阻碍其实用化进程。中间产物多硫化锂与锂金属负极发生强烈的副反应，严重制约了锂硫电池的循环寿命。电解液对于抑制多硫化锂副反应具有重要作用，不仅影响多硫化锂自身溶剂化结构与反应性，也参与SEI的形成以保护锂金属负极。

      本工作提出了一种由三元溶剂组成的三效电解液设计方案，以实现高比能长循环的锂硫电池。强溶剂化溶剂用于保证多硫化锂溶解度与快速的正极反应动力学，弱溶剂化溶剂用于形成双层溶剂化结构包裹多硫化锂以抑制其与金属锂之间的副反应，反应性溶剂通过参与形成SEI用于构筑富含有机组分的SEI以促进金属锂均匀沉积。因此，三效电解液的应用实现了高载薄锂锂硫纽扣电池的循环寿命从88圈提升至222圈，以及首圈能量密度405 Wh/kg的锂硫软包电池27圈的稳定循环。本工作提供了一种有效的锂硫电解液方案以抑制多硫化锂副反应，并指导了高比能长循环锂硫电池电解液的合理设计。

高电压锂金属电池电解液的分子设计与调控

欧宇

导师：刘凯

摘要：

       在高比能电池技术中，锂金属电池因其高理论比容量和较低的电位而备受关注。然而，高电压锂金属电池的实际应用受到诸多因素的制约，特别是电解液在高电压下的稳定性及界面反应的控制。为解决这些问题，本报告着眼于高电压锂金属电池电解液的分子设计与调控，提出了一系列创新性的研究思路和方法。

一体化膜电极结构设计与传质过程强化

林董澄

导师：王保国

摘要：

       随着全球能源危机和环境问题的日益严峻，发展清洁高效的能源转化技术已迫在眉睫。电化学能源与物质转化装置的性能和稳定性在很大程度上取决于膜电极这一核心组件。然而，传统的催化剂涂覆基底（CCS）和催化剂涂覆膜（CCM）型膜电极存在界面结合力差、传质效率低、结构稳定性差等问题。为解决这些挑战，本工作从电沉积过程中金属相形成的热力学与动力学出发，利用晶面表面选择性吸附和固态扩散推动力的调控，在气体扩散层与催化层界面处形成三维梯度化固态扩散层，制备了融合扩散层催化电极（Fusion-CCS）。同时，从聚电解质分散液在催化层表面的相转变行为出发，利用聚电解质与催化层界面处的表面限域相转化过程，形成了具有丰富有效界面和离聚物含量梯度变化的融合催化层涂层膜（Fusion-CCM）。基于上述两类器件，进一步制备了孔结构、离聚物含量和催化层载量整体梯度化的一体化膜电极（Unified-MEA）。通过创新性的界面调控和结构设计，本研究致力于解决传统膜电极的关键问题，提升电化学器件的效率和稳定性。

知识和数据双驱动设计电解液分子

高宇辰

导师：张强

摘要：   

      随着人们对长寿命、宽温域等储能器件的不断需求，发展先进电池体系至关重要。其中，电解液作为电池血液，显著影响电池性能。然而传统试错的方法周期长、效率低，难以满足未来三五年时间内推动下一代电池应用落地的迫切需求。人工智能技术的引入为解决这一挑战提供了有效工具，为电解液的开发开辟了新的研究途径。

      本研究提出了知识和数据双驱动设计电解液分子的方法。一方面，从数据中发现知识。基于数学中的图论开发了分子生成算法，构建电解液分子大数据库，通过第一性原理计算，探究了电解液离子–溶剂结构的还原稳定性规律，并且揭示了影响电解液还原稳定性的关键描述符。另一方面，将知识嵌入到数据。开发了电解液分子性质预测模型，与未进行化学知识嵌入模型对比，熔沸闪点预测效果分别提升6.7%，14.7%和17.8%，效果优于基于热力学的基团贡献法、基于描述符的机器学习等方法。通过分子近邻搜索和高通量筛选，成功预测了29个潜在适用于宽温域和高安全性的电池场景下的分子，其中一些分子已被文献证实具有优异性能，为电解液分子智能设计提供重要指导。知识和数据双驱动方法不仅深化了对电解液分子构效关系的理解，精确预测了分子的关键性质，还为人工智能与领域知识的深度融合提供了新路径。