“挑戰(zhàn)杯”申報書填寫參考范本(科技發(fā)明制作A類)

1、“挑戰(zhàn)杯”申報書填寫參考范本（科技發(fā)明制作A類）項目名稱： 原位生成碳化硅納米纖維及其對材料性能影響的研究第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品小類：能源化工大類：科技發(fā)明制作A類簡介：我們開發(fā)一條合成單晶納米復(fù)合氧化物L(fēng)a2CuO4纖維的路線。自制碳納米管為模板，利用水熱合成法在溫和條件下（60oC）合成出納米 La2CuO4單晶纖維，其比表面積達到105 m2/g，組成為La2Cu0.882+ Cu0.12+O3.94， 有12%Cu +，也有氧空位，并顯示出優(yōu)越的低溫NO分解和甲醇水蒸氣重整制CO2 和氫氣的催化活性。詳細(xì)介紹：氮氧化物NOx（ NO, N2O 等）是最嚴(yán)重的空氣污染物。它們是致癌的化學(xué)

2、氣體、是酸雨的主要成分、也是比二氧化碳更嚴(yán)重的溫室氣體。普遍產(chǎn)生于各種燃燒過程、發(fā)電廠、冶煉廠、汽車尾氣、高空雨云閃電,、化工廠（特別是硝酸生產(chǎn)）等。近年來, 我國各種汽車數(shù)量猛增, 尾氣排放正在逐年上升, 機械性能較差的或使用年限已較長的發(fā)動機尾氣中的NOx 濃度要更高。國家對汽車尾氣的排放要求越來越高.(查看更多)。所以研制高效氮氧化物分解催化劑（DeNOx）非常迫切。雖然從熱力學(xué)的角度來看，氮氧化物直接分解的產(chǎn)物N2和O2比氮氧化物穩(wěn)定，應(yīng)該容易進行。但事實上由于中間態(tài)的復(fù)雜和對氧物種的敏感，氮氧化物必須在高選擇性的催化劑上才能分解為N2和O2。所以DeNOx一直是環(huán)境催化領(lǐng)域里最重要的

3、課題之一。最理想的催化劑是能將氮氧化物直接分解為氮氣和氧氣而不需要添加其它化學(xué)物。但是理想的氮氧化物直接分解催化劑研究進展緩慢，故不得不加入還原劑 (CO, H2, NH3, CnHm)，促進NO的分解（Selective catalytic reduction-SCR）。目前氮氧化物直接分解催化劑存在的困難是催化劑只有在高溫時才有較高的活性。常見的直接DeNOx催化劑有: Cu-ZSM-5, 鈣鈦石或類鈣鈦石型復(fù)合氧化物如La1xSrxMO3 (M = Co, Ni, Cu), La(Ba)Mn(In)O3, Ag/La0.6Ce0.4CoO3, CeO2， Pr6O11 稀土氧化物, 負(fù)載

4、型貴金屬Pt/Al2O3。絕大部分催化劑只有在600oC 以上才顯示較高的活性，所以在高溫下（800 oC左右）才能工作（汽車尾氣凈化器必須安裝在很靠近發(fā)動機部位，拆卸復(fù)雜）。 究其原因:無論是在貴金屬催化劑上，還是在鈣鈦石型催化劑上，或是在 分子篩ZSM-5-Cu上，氧物種與NO存在競爭吸附，且氧物種在低溫下不易脫附，在氧物種存在下NO極易轉(zhuǎn)化為NO2 （O+ NO = NO2）。我們研究過NO的分解過程：2NO(NO)2 N2O2 N2O + O N2 + 1/2O2。 若氧能及時脫附， 就能促使反應(yīng)向右邊進行；如果氧不容易脫附，則使反應(yīng)易向左邊進行。在目前的DeNOx 催化劑上，氧的脫附

5、都是在600oC以上才能進行。這是催化劑為何在高溫才有活性的主要原因之一，貴金屬催化劑成本太高。在非貴金屬元素中，銅元素是對氮氧化物最有活性的催化組分。機理研究證明，NOx在銅催化劑上的分解與催化劑中Cu+ 和Cu2+ 之間的氧化還原相互耦合。保持一定比例的Cu+ 是關(guān)鍵。 在一般的氧化物和擔(dān)載催化劑上，Cu2+ 和Cuo 都比較容易穩(wěn)定，但Cu+ 則不宜得到。在具有特定晶體結(jié)構(gòu)的含銅氧化物中可以通過氧缺陷的存在和摻雜高價態(tài)元素來穩(wěn)定Cu+ 。在類鈣鈦石型催化劑La2CuO4 中，氧缺陷的存在La2(Cu+)(Cu2+)O4- + 2 +6 = 2 (4- ) ；+=1 或通過摻雜Ce4+ 可

6、以穩(wěn)定Cu+ 并調(diào)控其含量, La2-xCex (Cu+)y(Cu2+)z O4 (2-x) + 4x + y + 2z = 8；y+z=1。（CeO2 本身對分解NO有一定活性）。規(guī)整結(jié)構(gòu)中的氧空位為氧物種提供了場所，并且氧在其上的脫附相對比在氧化物晶格中容易。比較兩類典型的催化劑，各有利弊：Cu-ZSM-5 比表面積大，但不宜調(diào)變銅離子的價態(tài)，熱穩(wěn)定性差， 并且極易受水蒸氣和SO2 中毒。鈣鈦石型復(fù)合氧化物可以調(diào)變銅離子的價態(tài)甚至組成，熱穩(wěn)定性好，但該類化合物的比表面積很小，一般只有2到3 m2/g， 用溶膠凝膠法最大能制備出13 m2/g。所以若能制備大表面的具有特定結(jié)構(gòu)的鈣鈦石型復(fù)氧化

7、物可能會獲得一類性能優(yōu)越的氮氧化物分解催化劑。普通的合成方法制備不出比表面積很大的鈣鈦石型復(fù)合氧化物。我們的團隊主要是開發(fā)一條合成單晶納米復(fù)合氧化物L(fēng)a2CuO4纖維的路線。采用自制的碳納米管作為模板（碳納米管的加入量很少，在目標(biāo)產(chǎn)物中含量<1wt%），利用水熱合成法在溫和條件下（60oC）合成出納米 La2CuO4單晶纖維，其比表面積達到105 m2/g，組成為La2Cu0.882+ Cu0.12+O3.94， 有12%Cu +，也有氧空位，并顯示出優(yōu)越的低溫NO分解（在300oC能將NO分解為N2 和O2并且在60 小時內(nèi)保持活性不下降）和甲醇水蒸氣重整制CO2 和氫氣的催化活性。普

8、通方法制備的La2CuO4 粉組成為La2Cu0.922+ Cu0.083+O4.04， 比表面積只有2.7 m2/g， 其催化活性大大劣于納米La2CuO4纖維。作品專業(yè)信息設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)合成高比表面積、適當(dāng)Cu+/Cu2+ 比例的類鈣鈦石型復(fù)合氧化物L(fēng)a2-xCex (Cu+)y(Cu2+)z O4 (x = 01) （簡稱LCCO）系列單晶納米纖維和納米晶粒。獲得能在低溫（300oC左右）下將氮氧化物直接分解為氮氣和氧氣并且具有長壽命的催化劑。探索氮氧化物在該類催化劑上的催化分解機理和催化劑維持高活性的必要表面結(jié)構(gòu)條件。研制出非貴金屬汽車尾氣凈

9、化催化劑?？茖W(xué)性、先進性以碳納米材料為模板合成高比表面積和特殊表面（孔道）結(jié)構(gòu)的La2-xCex (Cu+)y(Cu2+)z O4 (x = 01)納米纖維和納米晶粒，該結(jié)構(gòu)能穩(wěn)定并調(diào)變Cu+（對活化NOx有利）及氧空位含量（對氧物種的脫附有利），進而在低溫下能高效直接分解氮氧化物。該種方法為首次發(fā)明的方法并已取得了初步的成果。該催化劑用在汽車尾氣凈化上，將避開貴金屬，大大節(jié)約成本，為銅資源開辟了新的高技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。獲獎情況及鑒定結(jié)果無作品所處階段本作品已完成實驗樣品的制作。技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式無作品可展示的形式反應(yīng)器實物樣品。使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效

10、益預(yù)測該法使用高分散的碳納米材料作為模板, 且對碳納米材料的使用量很小，一克碳納米管可以制出一千克La2CuO4納米纖維，碳納米管及納米洋蔥碳目前的制備已不是難題，售價也不昂貴,我們自己的實驗室就能制備。水熱合成是制備分子篩材料的常規(guī)方法，成本和放大都不存在技術(shù)難題。我國具有豐富的銅資源，如果把豐富的銅元素用作汽車尾氣凈化及環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)上，將對我國銅資源開發(fā)和利用有重大的意義。同類課題研究水平概述國外減排產(chǎn)品一般也只能減排20%40%，無法徹底解決大中城市汽車尾氣污染的難題, 特別是對氮氧化物的凈化非常不完全。碳?xì)浠衔锖鸵谎趸嫉纳疃妊趸呋瘎┹^易制備,但氮氧化物分解催化劑則很難獲得,往往需

11、要貴金屬,如銠和鉑等。即使含有貴金屬的催化劑，隨著使用時間的增加，對氮氧化物的處理能力也會逐漸變?nèi)?。目前的三元催化劑一般都含有貴金屬,所以較昂貴。 DeNOx一直是環(huán)境催化領(lǐng)域里最.(查看更多)重要和難度最大的課題之一。常見的直接DeNOx催化劑有: Cu-ZSM-5 1, 鈣鈦石或類鈣鈦石型復(fù)合氧化物如La1xSrxMO3 (M = Co, Ni, Cu) 2 、La(Ba)Mn(In)O3 3、Ag/La0.6Ce0.4CoO3 4 ，稀土氧化物如CeO2、Pr6O11 5, 負(fù)載型貴金屬Pt/Al2O36等。絕大部分催化劑只有在600oC 以上才顯示出較高的活性，所以在高溫下（800oC

12、左右）才能工作（汽車尾氣凈化器必須安裝在很靠近發(fā)動機部位，拆卸復(fù)雜）。在目前的DeNOx 催化劑上，氧的脫附都是在600oC以上才能進行, 這是催化劑為何在高溫才有活性的主要原因之一。 貴金屬催化劑成本太高。項目名稱： 風(fēng)力發(fā)電和變頻抽油機群共直流母線能量管理系統(tǒng) 來源：第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品小類：機械與控制大類：科技發(fā)明制作A類簡介：目前，油田抽油機是油田最大耗電大戶，平均效率僅為25.96%。我國的多為低滲透低產(chǎn)油田，以電能換石油是我國油田產(chǎn)油現(xiàn)實情況。本方案通過改變抽油控制策略，創(chuàng)新性的將多臺抽油機組成一個系統(tǒng)并聯(lián)運行，經(jīng)過實時監(jiān)控，進行自動控制調(diào)整速率，提高抽油每次抽有效率，用最少的電

13、能換取最多的石油。并且將風(fēng)能引入到本方案作為抽油機提供清潔能源。此方案不僅對原油增產(chǎn)、原油生產(chǎn)成本降低和緩解當(dāng)前能源緊張狀況具有重義。詳細(xì)介紹：目前，油田抽油機（俗稱磕頭機）是應(yīng)用最普遍的石油開采機械之一，也是油田耗電大戶，其用電量約占油田總用電量的40，且總體效率很低，據(jù)調(diào)查我國平均效率為25.96%，而國外平均水平為30.05%。我國的油田不像中東的油田那樣有很強的自噴能力，多為低滲透的低能、低產(chǎn)油田，以電能換石油是我國油田產(chǎn)油現(xiàn)實情況。以往節(jié)能方案是研制節(jié)能電機，達到節(jié)能效果，但是要更換電機成本較大，不利于推廣。.(查看更多)本方案通過改變抽油控制策略，創(chuàng)新性的將多臺抽油機組成一個系統(tǒng)并

14、聯(lián)運行，經(jīng)過實時監(jiān)控抽油量，進行自動控制調(diào)整速率，減少抽油機抽油過程的不必要損耗，提高抽油效率，并且將抽油機發(fā)電產(chǎn)生的能量通過并聯(lián)系統(tǒng)輸送到有需要的抽油機上，從而用最少的電能盡可能換取最多的石油。不僅如此，此方案還為風(fēng)電這種清潔能源的使用開創(chuàng)了新思路，將風(fēng)能引入到本方案作為抽油機使用的能源的一部分可以有效地減少對電網(wǎng)電能的使用以及使用電網(wǎng)電能時在傳輸線路上的損耗。通過對抽油控制技術(shù)的改進來節(jié)省電能，將對提高系統(tǒng)效率實現(xiàn)節(jié)能降耗有很積極的作用，不僅對原油增產(chǎn)、原油生產(chǎn)成本降低和企業(yè)經(jīng)濟效益的提高有重要意義，而且對緩解當(dāng)前能源供應(yīng)緊張狀況也具有重要意義。設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵

15、和主要技術(shù)指標(biāo)一、發(fā)明的目的 通過PLC控制核心和變頻器，通過傳感器能夠達到自動控制抽油機速率的效果，從而提高抽油機運行時的抽有效率，并且充分利用抽油機倒發(fā)電產(chǎn)生的能量。以風(fēng)能部分代替電網(wǎng)，使用清潔能源，減少電網(wǎng)負(fù)荷。二、作品設(shè)計思路 本方案中PLC根據(jù)油量信息控制變頻器，使抽油機在高效率的轉(zhuǎn)速下運行，避免空撈造成的能量損耗，并且通過接近開關(guān)了解抽油機的上下位置，協(xié)調(diào)處于發(fā)電狀態(tài)和電動狀態(tài)的抽.(查看更多)油機的數(shù)量（盡量達到1:1），使下沖程的抽油機發(fā)的電盡可能多的被上沖程的抽油機利用，減少再生能量損耗。系統(tǒng)所有的變頻器通過共直流母線連接，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)也連接到直流母線上，為抽油機提供清潔能源

16、。當(dāng)風(fēng)能過剩時，直流母線電壓超過閾值時，利用能量回饋單元將多余能量回饋到電網(wǎng)。此方案實現(xiàn)了抽油機群內(nèi)部能量的有效分配和管理，充分利用了清潔能源，真正實現(xiàn)了抽油機系統(tǒng)的節(jié)能增效。三、創(chuàng)新點 1根據(jù)每口井的出油情況和抽油機相對位置，PLC控制變頻器，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、調(diào)配不同抽油機的上下沖程，實現(xiàn)抽油機群內(nèi)部能量互饋，減少從電網(wǎng)吸收電能，最大限度提高采油效率。 2將風(fēng)電電能并入直流母線，使風(fēng)能以非并網(wǎng)的方式更有效地被抽油機利用，減少風(fēng)能的并網(wǎng)成本。 3通過流量傳感器，了解抽油機的抽油效率，自動調(diào)節(jié)抽油機轉(zhuǎn)速，使抽油機高效率下運行。四、節(jié)能效率 以四臺容量45kw抽油機一天耗能為例進行節(jié)能計算：可以達到26

17、.2%的節(jié)能效率（詳細(xì)計算內(nèi)容附于方案論文5.2 方案節(jié)能效率計算）科學(xué)性、先進性與油田現(xiàn)實比較、突出質(zhì)性技術(shù)特點 現(xiàn)實情況是一般抽油機直接與電網(wǎng)相連接，沒有節(jié)能控制、只能在而定電壓下運行，效率很低、無功很大、線損也很明顯。而小部分加裝了變頻器，但是不能夠根據(jù)采油情況自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，只能幾天或者一個禮拜調(diào)整一次，滯后性嚴(yán)重，并且抽油機倒發(fā)電的能量也無法加以利用，白白浪費在能耗電阻上。 本系統(tǒng)能夠根據(jù)流量傳感器、霍爾元件自動檢測抽油機的能量流動狀態(tài)（發(fā)電、耗電、及.(查看更多)運行效率）控制轉(zhuǎn)速使抽油機避免空抽半抽（由于我國多為低滲透低產(chǎn)油田），并且通過接近開關(guān)了解抽油機的運行位置，調(diào)配抽油機倒發(fā)

18、電能量流動，使抽油機相互使用彼此發(fā)出的能量。通過兩種控制大幅度增加抽油機的運行效率26.2%以上。自動調(diào)控提高運行效率、控制能量流動、使用潔凈能源和節(jié)約電能是本方案的最實質(zhì)性的技術(shù)特點。獲獎情況及鑒定結(jié)果1、2010年“施耐德電氣杯”全國大學(xué)生節(jié)能增效創(chuàng)新大賽特等獎（第一名） 2、第十二屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)作品競賽山東省特等獎。 3、攜作品參加中國科協(xié)第十二屆年會。 4、攜作品代表大學(xué)訪問法國巴黎施耐德電氣全球總部。作品所處階段A實驗室階段技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式洽談轉(zhuǎn)讓作品可展示的形式現(xiàn)場演示、圖片、錄像、實物,產(chǎn)品使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測一、技術(shù)特點 PLC檢測抽油機的運行狀態(tài)并且通過油量傳感器檢測油況，協(xié)調(diào)控制由直流母線并聯(lián)的逆變模塊，控制電機轉(zhuǎn)速，調(diào)配上下沖程狀態(tài)，使抽油機產(chǎn)生的電能能夠內(nèi)部分配使用。當(dāng)風(fēng)電電能過剩時，導(dǎo)致直流母線電壓過高，系統(tǒng)可以通過能量回饋單元返回電網(wǎng)。上位機總體調(diào)控各PLC。自動檢測控制能量流動，節(jié)約電能是本方案的技術(shù)特點。二、方案適用場合 1、本方案因為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的原因，適用在風(fēng)力資.(查看更多)源較豐富的油田地區(qū)。 2、因為本方案是采用群控技術(shù)，所以適用于油井較為密集的油田。 3、應(yīng)用該系統(tǒng)可以減少線損，所以適用于抽油機輸電