含复杂拓扑链结构的聚合物的发展极大地丰富了高分子材料的种类与性能，而微反应技术为聚合物拓扑结构的调控提供了一个强有力的平台。本文首先对拓扑聚合物的结构性能、合成方法及微反应技术的理论基础等背景作简要介绍，然后对微反应技术在聚合物合成领域的应用作系统的阐述，重点集中于连续制备支链型聚合物的研究进展及微反应器操作相对于间歇过程的优势等。进一步地，分析了微反应器合成复杂拓扑结构聚合物的技术难点及改进方案，最后从基础研究、工程放大、产品应用等研究方向进行展望。

全固态锂电池（ASSLBs）比目前的液态锂电池具有更高的能量密度与安全性，是下一代能量存储设备的主要研究方向。相较于其他电解质，硫化物固态电解质具有超高离子电导率、硬度低、易加工、界面接触好等特性，是实现全固态电池最有希望的路线之一。然而，硫化物固态电解质与负极的界面问题，如电解质/负极界面的副反应、固-固接触性差以及锂枝晶等是制约硫化物全固态电池实际应用的重要阻碍。本文概述了目前对匹配硫化物电解质的全固态锂电池主流负极材料的研究现状，总结了金属锂、锂合金、含硅负极等基于硫化物电解质的全固态锂电池的发展现状、应用优势、界面问题及主流解决策略，并为下一步基于硫化物固态电解质的全固态锂电池负极材料的研发与界面问题的解决提供了指导性建议。

目前已有的CO吸收方法中，离子液体吸收法由于其独特的优势而备受关注。在本研究中，使用COSMO-RS模型以293.15 K下离子液体对CO的选择性和黏度为指标对350种离子液体进行溶剂筛选，分析了离子液体阴阳离子构型对CO选择性的影响。在此基础上，在实验室合成了离子液体并测定了其黏度随温度的变化曲线。随后通过傅里叶变换红外光谱分析表明质子型离子液体中存在有分子间氢键作用力。使用高压透明蓝宝石釜进行了相平衡实验，测定了溶解度曲线，通过实验分析气液比对分离因子的影响。实验结果表明，在293.15 K、2.1 MPa、气液比为77.75条件下，离子液体对CO/H₂的分离因子可达到109.29。最后，通过FTIR证明了离子液体的稳定性，这意味着该溶剂在工业应用中具有一定的潜力。

针对联苯-正十二烷分离体系，首先采用COSMO-RS模型预测了联苯和正十二烷在不同离子液体中的无限稀释活度系数，通过溶解能力和选择性两个指标对离子液体的分离性能进行了评估和筛选，1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[BMIM][BF₄]）被认为是最有潜力的萃取剂。液-液相平衡实验测定了常压、温度为303.2 K条件下，联苯-正十二烷-萃取剂的三元液液相平衡数据。以二甲基亚砜（DMSO）和糠醛为基准萃取剂，评估了[BMIM][BF₄]作为萃取剂的分离性能。最后，计算化学理论被用于探究不同萃取剂用于联苯-正十二烷体系的分离机理。C—H…π相互作用、π-π相互作用和氢键作用被认为是萃取剂与联苯之间最主要的相互作用。

随着能源问题的日益突出，亟需研制高效能源设备，微通道换热器以其优良的性能在热管理系统中备受关注。针对微通道换热器流动与传热特性理论计算提出了一个计算模型，基于文献建立实验数据库，分别对比分析了10种和6种传热与流动计算关联式，并针对一种换热器结构进行了数值仿真与模型求解。研究得出：采用Stephan等、Sarmiento等提出关联式所得关于传热特性的经验解与实验解的吻合度较好；采用Kim等、Muzychka等提出的关联式所得关于流动特性的经验解与实验解的吻合度较好；对换热单元进行数值仿真和模型计算，数值解与经验解中绝大多数点的误差在10%以内，验证了本文提出计算模型在理论求解中的准确性与可信度。

多孔介质内水冻结过程的传热传质问题普遍存在于寒区工程、食品冷冻保鲜和建筑、路面冻融破坏等领域。本研究在介观尺度下对多孔介质内水结冰相界面的演化机理进行了实验与模拟研究。首先通过单向冻结实验，研究了孔隙半径500 μm微孔道内水冻结过程中相界面及温度场演变规律。然后通过数值模拟，研究了边界温度、孔隙间距、孔隙结构对相界面演变规律和水冻结速率的影响。结果表明，相界面相对曲率随孔隙半径减小而减小，在孔道中，相对曲率先减小后增大，使相界面从凹形向凸形变化。孔道内温度随时间下降先快后慢，其速率与温度梯度有关。过冷引起0℃等温线与相界面之间过冷带的形成。孔隙间距越小，孔道内的温度梯度突跃越剧烈，阻碍传热。在本文研究的四种孔隙结构中，圆形直排冻结速率最大。

气相法聚乙烯工艺在冷凝模式操作下，液相在床层内部蒸发使流体流型转变为旋转型，升力的影响不可忽略。建立了气-液-固三相流聚乙烯流化床反应器CFD模型，并探究Saffman-Mei、Legendre-Magnaudet和Moraga三种不同升力模型对聚乙烯流化床反应器多相流体流动的影响。模拟结果表明，升力模型对于流化稳定后床层平均高度、反应器平均温度无明显影响，但在床层不同高度区域内颗粒相分布和低区域内温度分布存在差别。不同粒径固相颗粒在升力的影响下具有不同的流化过程，小粒径颗粒在流化过程中易产生较大的气泡，大粒径颗粒在壁面处的聚集现象更为明显。Saffman-Mei模型使得颗粒沿着壁面以及向较高床层运动更为明显，在低床层趋于温度较低；Saffman-Mei模型和Moraga模型具有相似的液相蒸发速率；Moraga模型的颗粒和气泡运动最为剧烈；Legendre-Magnaudet模型预测的床层压降最为准确，并且流化过程中的相分布和温度分布等更为均匀。

基于除湿换热器的吸附式除湿空调系统采用固体干燥剂处理空气中的潜热负荷，可以有效地提高蒸发温度，大大提高空调系统的能效。其中，干燥剂涂层的选择对除湿换热器系统的性能至关重要，而采用现有的实验和模拟方式难以高效筛选适合除湿换热器系统的干燥剂材料。本文从干燥剂的吸附等温曲线出发，讨论了不同类型吸附曲线的干燥剂除湿性能，得出“S”型吸附等温曲线的干燥剂有最佳的除湿能力；对“S”型吸附曲线的阶跃压力进行了分析和讨论，确定了在特定工作条件下最佳阶跃压力的计算方法；讨论了通过复合吸湿盐、合成特定孔系结构材料等方式获得具有理想吸附曲线的干燥剂的可行性。

相对于光滑表面，微柱结构表面可以显著强化核态沸腾，强化机理主要有增大换热面积、增大核化密度、减小气泡脱离直径等，对于微结构内部的导流强化作用鲜有深入研究。利用多相流体积分数三维模型，定义了微结构表面单气泡沸腾重要的几何、时间无量纲参数，通过对速度场和压力场的分析，讨论了沸腾过程中气泡、微柱与周围液体的相互作用。结果证明：微结构的间隙有利于液体的回流，在气泡底部的气液界面与基底之间建立的流动通道内导流作用明显，液体流速被显著提高，有效促进了气泡脱离，强化了单气泡换热。同时，微结构的导流作用促使在微柱结构底部及侧壁面产生了高压薄液膜；底部的薄液膜具有毛细引流能力，维持了气泡内部微柱根部的液相区域；侧壁面上的薄液膜取代了原来的干烧区域，传热面积增大，换热效率显著提高。

传热管表面的污垢不仅阻碍热量传递，还会增加流体流动阻力，导致传热管使用寿命缩短和经济损失。通过在传热管内插入转子可有效实现传热强化和在线除垢抑垢，研究了不同流速下自转式内置转子圆管内的流场和颗粒污垢特性，采用多重参考系模型（MRF）模拟转子在不同流速下的转动，基于欧拉-欧拉液固两相流模型加载UDF得到管内的颗粒污垢特性。结果表明，内置转子传热管内呈螺旋流动，周向速度和径向速度提高，从而增强管壁的换热性能。随着流速从0.15 m/s增加到0.35 m/s，自转式内置转子圆管内颗粒稳定沉积率增加了136.5%，且增加的幅度逐渐变大；但污垢热阻渐近值减少了48.3%，且达到污垢渐近值所需的时间缩短。在此基础上对比固定转子发现，当流速为0.15~0.25 m/s，转子固定时的污垢热阻更小，而当流速为0.30~0.35 m/s，转子转动时的污垢热阻更小。研究可为内置转子的选型和设计提供参考。

实验研究了不同淬火初温下疏水性对沸腾传热特性的影响规律，定量分析了临界热通量(CHF)、最小热通量(MHF)和转变热通量(THF)以及对应的温度、时间的演变规律。结果表明，疏水性增强使淬火曲线右移，沸腾曲线向左下偏移，CHF和MHF和对应的温度减小，淬火时间增加；淬火初温提高，上述变化趋势逐渐变得不明显。说明疏水性增强总体恶化了淬火沸腾传热，而淬火初温提高可相对强化淬火沸腾传热。同时发现，过渡沸腾阶段分亚区情况随淬火初温提高而增多，临界过渡点(CTP)也受到相应影响；传热系数最大值发生在偏离核态沸腾(DNB)点附近。

降膜流动的稳定性对于提高涂膜质量、保障降膜换热器换热性能和促进药物吸收具有重要作用。基于液膜厚度与活性剂浓度的二维非线性演化方程，研究了含表面活性剂的液膜在倾斜平板上流动的稳定性，提出了包括壁面倾角θ、Marangoni数M、Weber数S和Peclet数Pe在内的临界Reynolds数表达式，分析了溶质Marangoni效应、倾角和扰动波数对线性稳定性的影响，探究了溶质Marangoni效应作用下表面波的时空演化特征。结果表明：初始扰动在溶质Marangoni效应影响下分离出快波与慢波，慢波在演化后期发展为多峰波状结构的表面波。增强溶质Marangoni效应可提高临界Reynolds数，扩大液膜流动稳定区并抑制失稳区的扰动增长，削弱表面波的色散效应。提高S和降低Pe均可抑制慢波的演化，而对快波演化基本无影响。

CH₄化学链重整耦合CO₂热催化还原，既能灵活调控所制备合成气的H₂/CO比，又能实现两种温室气体的高值化利用，具有极大的应用前景。采用溶胶-凝胶燃烧合成法制备不同质量掺杂比的CeO₂/CuFe₂O₄氧载体，在自制多功能固定床反应器中，系统考察了改性氧载体与CH₄部分氧化以及还原氧载体对CO₂的热催化还原性能，并通过连续氧化还原实验发现，与单一氧化物组分相比，CeO₂掺杂强化的CuFe₂O₄复合氧载体对CH₄和CO₂具有更高的反应活性。其中30% CeO₂掺杂量的混合氧载体具有最高的CH₄转化率，且在多次氧化还原循环反应中保持较高且稳定的CO₂转化率，表明其良好的反应性能和循环稳定性。

基于详细的甲烷均相与非均相反应机理，对平板微通道内甲烷催化燃烧反应过程模拟，探究入口氧浓度变化对耦合反应特性的影响与调控机制。结果表明，氧浓度升高导致甲烷均相与非均相反应放热位置向入口侧移动，缩短均相着火距离，拓宽稳燃范围。固定入口甲烷浓度，氧浓度升高导致化学当量比降低，同时也改变了均相/非均相反应对反应物O₂的竞争机制；氧浓度与化学当量比共同作用改变了气相自由基的吸附与脱附行为。增加O₂浓度促进CH₄和H自由基的均相反应消耗同时抑制CH₄和H的非均相反应速率。随着O₂浓度的升高，O₂以及中间产物CO和H₂参与非均相反应速率先升高后降低。

二甲苯异构体的分离是一个非常重要但极具挑战性的工业过程，新型吸附剂材料的开发是实现其高效分离的关键。采用Noria和2,3,5,6-四氟对苯二腈制备了具有高比表面积的微孔Noria聚合物（MNP），并研究了MNP对二甲苯异构体的吸附分离能力。单组分二甲苯异构体在MNP上的吸附动力学及吸附等温线表明，MNP具有邻二甲苯优先吸附能力，Langmuir吸附等温线拟合得到邻二甲苯最大吸附量达344 mg·g^-1。竞争吸附实验也表明MNP是一种邻二甲苯选择性吸附剂，邻二甲苯与间二甲苯的选择性最高可达2.4，邻二甲苯与对二甲苯选择性在1.9左右。动态穿透实验验证了MNP可以有效分离出邻二甲苯。此外，MNP具有极短的吸附平衡时间和优异的热稳定性，是一种具有潜力的邻二甲苯分离吸附剂。

随着石油分子管理技术的进步，石油及其下游的汽油等产品逐渐以其真实分子组成进行表征。而油品的分子表征在带来更详实信息的同时，也导致炼油过程模拟与优化模型的规模和计算量急剧上升。针对这一问题，应用无须事先确定类别数的密度峰聚类技术，并基于真实组分的热力学性质对油品进行集总，从而以少量虚拟组分对产品油进行充分表征。针对某装置的脱硫汽油集总结果表明，所提出的密度峰聚类集总方法极大地降低了表征汽油产品的分子数目，并在保证模拟精度的同时，有效地提高了汽油分馏塔的模拟计算效率。

金属离子-有机配体配合物的稳定性由金属离子种类、有机配体结构和实验条件三个因素决定。使用传统方法获得配合物的稳定常数耗时耗力，不利于特异性金属螯合剂的高通量筛选。因此，基于多头图注意力网络提出一种综合考虑多种影响因素的配合物稳定常数高通量预测模型。首先，对从数据库中提取的7127个配合物中涉及到的1371个有机分子生成分子属性图，其次利用多头图注意力网络对分子属性图进行特征提取，并将提取的分子特征拼接编码的金属离子和实验条件，最后送入全连接层进行配合物稳定常数的预测。模型在测试集上的R²和RMSE分别为0.956和1.251，表明所构建模型具有良好的泛化能力。此外，将文献中基于密度泛函理论计算的螯合物稳定常数与模型预测值进行对比，结果表明模型更为可靠与高效。

多效蒸发海水淡化技术作为现阶段主流的海水淡化方法，在实际生产过程中工艺设计者都会对蒸发器换热面积进行冗余设计以应对系统的结垢和安全问题。在追求蒸发器冗余换热面积的利用率时，通常会伴随裕量内耗现象。与此同时，常规方法在研究的过程中并未发挥二次蒸汽阀的操作性能，系统的抗干扰能力较差。经过深入探究多效海水淡化系统的温度特性后，发现二次蒸汽阀的全周期操作既能够提高换热面积的利用率和系统的运行效益，又可以避免裕量内耗问题的发生。由此提出蒸发传热温差的全周期渐变优化方法，该方法不仅将运行效益加入系统的裕量缓释优化模型，而且对二次蒸汽阀的控制作用和全周期操作特性加以考虑，形成对系统换热面积的有效监控。最后，以8效海水淡化装置为例，对蒸发传热温差全周期渐变优化方法进行验证。结果表明，该方法能够兼顾系统运行的长短期目标，同时能够增强系统在全周期运行过程中的调控能力，降低各效蒸发器之间的耦合关系，减少裕量内耗的发生和外来驱动蒸汽的消耗，实现慢时变系统的裕量缓释。

物理信息神经网络（PINN）通过对偏微分方程组进行数学编码，实现了内嵌物理知识的深度学习，已成功地应用于流体力学和传热领域。但是，由于固体导热和流体传热间强耦合关联，通用的PINN难以有效求解上述领域内普遍存在的共轭传热问题。作为应用较为广泛的分区耦合策略，传热系数正向温度反向法可通过分别独立求解流体域和固体域来灵活处理界面处的复杂耦合关系。本工作基于真实物性体系，利用传热系数正向温度反向法构建分区耦合PINN建模策略。以共轭传热二维和三维模型为例，将分区耦合PINN预测的多物理场结果与常规的CFD软件模拟结果进行对比，结果显示二维模型和三维模型的固体温度最大绝对误差分别为0.19 K和2.12 K，表明了分区耦合PINN策略处理真实物性下共轭传热建模问题的有效性。

苯选择性加氢制环己烯是工业上大规模生产环己烯的最佳方法，该反应的关键在于高活性和高选择性催化剂的选用。受各种因素影响，催化剂活性随生产系统运行时间的延长不断下降，影响反应器参数及换热网络（HEN）集成。从物料平衡和能量平衡出发，基于对温焓图的分析构建反应-换热网络耦合模型，揭示催化剂失活对能量系统集成的影响。据该模型分析苯加氢制环己烯生产过程，确定催化剂活性与反应关键参数及换热网络能耗的关系，并以催化剂活性为自变量构建反应-换热网络耦合性能图，直观反映反应转化率、反应器进/出口温度、反应器热负荷、系统能耗、系统运行时间及单位产品成本随催化剂失活的变化趋势。以单位产品平均生产成本为评价指标可以确定，Ru-Zn-B/ZrO₂催化剂的最佳再生活性为0.5，最佳再生周期为0.92年。再生周期优化后，单位产品平均生产成本可降低19.9%。

针对某石化厂蝶阀后管线异常减薄的问题，结合腐蚀分析、腐蚀实验和数值模拟，分析了管线异常减薄的原因，研究了腐蚀的发生与发展机制。样品的结构及成分通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和能谱仪（EDS）及金相显微镜进行表征，并结合计算流体动力学（CFD）分析了流场参数对腐蚀过程的影响。结果表明，管线主要的失效原因是流动加速腐蚀。此外，基于速度边界层与壁面粗糙度之间的关系，将蝶阀后管线划分为三个不同的区域，并用示意图对不同区域腐蚀的发生与发展机制进行了解释。

在过冷水式动态冰蓄冷中，低温换热表面上的冰黏附是系统稳定运行的主要威胁。研究表明，冰和换热表面的界面区域具有一层准液体层，其厚度是影响黏附强度的主要因素。壁面荷电可能增加冰的准液体层厚度，达到降低黏附强度的作用。因此，在同一水分子体系温度（T=255 K）的不同壁面荷电条件下，进行了铜壁面上黏附冰的平衡和脱附的分子动力学模拟，得到了黏附冰的准液体层厚度以及黏附强度。结果表明，相较于壁面不带电荷的工况，壁面电荷密度Q_static=±0.1123 e/nm²且保持不变时，准液体层的厚度变化很小，冰的黏附强度由于壁面与水分子之间的库仑相互作用增强而增大；当铜壁面采用脉冲荷电Q_period=±0.1123 e/nm²时，冰的准液体层厚度显著增加，黏附强度在可减小范围内减小31.9%。因此，壁面脉冲荷电是一种有效的降低冰黏附强度的方式。

针对航空发动机石墨浮环密封端面磨损问题，基于修正的分形接触理论及Archard磨损理论，从微观角度推导出石墨浮环密封端面的分形磨损预估模型，并采用文献实验数据验证模型的合理性。最后通过数值仿真方法分析研究表面形貌参数及工况参数对浮环密封端面磨损率的影响规律。研究结果表明：石墨浮环密封端面磨损率随着分形维数的增加，先增大后减小，当分形维数处于1.45~1.65时存在最小磨损率；当分形维数一定时，石墨浮环密封端面的磨损率随表面特征尺度、摩擦因数及浮环滑移速度的增大而增大；石墨浮环密封端面的磨损率主要与频率指数最小等级及后续的7个等级微凸体相关，其余微凸体对整个浮环密封端面的磨损率影响可忽略不计。

针对凸面恒温基底上的固着液滴蒸发过程开展了实验和理论研究。实验研究方面，搭建了凸面恒温基底上蒸馏水液滴蒸发的可视化实验系统，捕获了液滴蒸发过程形态变化，使用红外热像仪获得了液滴表面温度分布。理论研究方面，基于环形坐标系建立了凸面恒温基底上固着液滴蒸发的传热传质模型，推导出液滴内部温度分布及其周围蒸气浓度分布的解析解。将模型结果与实验数据进行对比，验证了计算模型的可靠性。研究结果表明：模型计算需考虑蒸发冷却效应，提高基底温度和减小基底曲率直径均可提高液滴蒸发速率；相较于平面基底，凸面基底上液滴的铺展半径更大，钉扎时间延长，总蒸发时间减小，液滴蒸发主要遵循恒定接触半径蒸发模式。此外，液滴/空气界面处的过余温度沿液滴表面从中心到接触线方向单调递增，随着蒸发过程的进行，液滴整体温度分布趋于均匀。研究结果有助于深入掌握凸面基底上固着液滴蒸发的传热传质机理。

石灰石资源的不可创造和不可再生导致优质石灰石资源逐渐稀缺，石灰石品位不断下降。低品位石灰石应用导致脱硫系统效率下降已逐渐成为行业内的频发事故。为明晰低品位石灰石脱硫浆液在酸性环境下的溶解动力学，开展了溶解体系温度、pH以及石灰石颗粒粒径等关键因素对低品位石灰石溶解特性的影响规律研究。结果表明，CaMg(CO₃)₂是低品位石灰石中存在的主要杂质，其在酸性环境中的溶解速率远低于CaCO₃；由CaMg(CO₃)₂形成的惰性残留层决定了低品位石灰石的溶解过程主要由产物层内扩散控制。此外，基于未反应核的收缩模型，建立了低品位石灰石的半经验溶解动力学方程。

相比新鲜电池，锂离子电池在全生命周期内的安全性研究更值得关注。以寿命初期（BOL）与寿命末期（EOL）两种状态下的大尺寸方型铝壳磷酸铁锂动力电池为研究对象，先分析了BOL和EOL电池在比热容、热导率、材料热稳定性以及直流内阻方面的差异，再详细对比了电池在过放电、过充电、外部短路、加热、针刺、挤压等安全性能的差异。结果表明，相比BOL电池，EOL电池比热容由1.088 J/(g·℃)降低为1.065 J/(g·℃)；电池高度、宽度、厚度方向的热导率分别从25.84、21.21、1.05 W/(m·K)降低为22.20、18.44、1.00 W/(m·K)；负极材料和电解液的放热峰向低温偏移，121℃附近出现固体电解质界面膜分解放热峰，嵌锂石墨层间化合物、电解液和黏结剂间的反应放热焓由1019 J/g减小为841 J/g。安全性方面，EOL电池过放电产气更多，厚度鼓胀大；过充电产气更多，防爆阀提前7%荷电态开启；外部短路电流无法熔断转接片，电池将持续放电至过放态，产气鼓胀严重；针刺无烟雾释放、防爆阀未开启，安全性大幅提升，加热引发热失控的温度差别不大，其他安全测试项差异较小。研究结果丰富了锂离子电池全生命周期内安全性能的研究，有助于电池单体、模组及系统热失控防护设计。

在固定床上进行了麦秆与木屑2种生物质的热解实验，对热解碳烟产物的产率、微观形貌等理化性质进行了表征，并在热天平上测定其氧化/气化特性。研究了在不同热解温度下两种生物质产生碳烟的产率、粒径分布及内部纳观结构的变化趋势，在此基础上分析了碳烟反应活性的影响因素，并将结果与采用一维沉降炉热解方式获得的碳烟对比。结果表明：采用固定床热解获得的碳烟具有较高的纯度。随着生成温度的升高，碳烟结构排列更加有序，石墨化程度提高，基本粒子的几何平均粒径变小，同时碳烟的反应活性变差，说明碳烟内部结构的变化对反应活性的影响起主要的控制作用。单位空间内生物质的燃料浓度会影响碳烟的产率、粒径等特性。高的原料空间浓度倾向于生成更多的碳烟，并且碳烟具有更大的粒径。木屑碳烟相比麦秆碳烟石墨化程度更高，反应活性较差。

热管理技术的发展对于固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，SOFC)产业化具有重要意义。目前SOFC热管理的主要方法为在阴极通入过量空气，以空气带走电池的产热。由于空气的比热容较小，这种热管理方法导致较高的额外功耗。因此基于氨气裂解吸热效应，提出一种新型连接件，通过平衡局部氨气裂解吸热量与电化学反应放热量实现SOFC热管理。数值模拟结果表明，相比于过量空气的热管理方法，新型连接件使电池的最大温度差降低了80.2%，使电池性能提高了23.1%，证明了新型连接件具有热电协同增强的潜力。

结渣和沾污是高碱煤燃烧锅炉中普遍存在的难题。同时，源于采煤和洗煤的大量固废煤矸石出于经济和生态考虑亦须实现减量化处理和资源化利用。基于此，通过掺烧高碱煤与煤矸石抑制煤灰沾污和结渣发生以及实现煤矸石的资源化利用，同时考察掺烧过程中污染气体(SO₂和NO)的释放及减排行为。结果表明，高碱煤与煤矸石静态的掺烧反应服从三维扩散模型，在一定比例下掺烧反应活化能低于单一燃料燃烧的活化能。掺烧过程中焦炭和CO可还原NO，同时灰分中过渡金属组分可促进NO原位减排，而SO₂的减排效果很大程度上取决于两燃料的掺烧比例及其灰分组成。掺烧过程中碱金属有效固留于灰渣中，从而降低煤灰沾污和结渣倾向，而碱土金属(Ca，Mg等)可同时与灰分组成中的硅铝及气相中SO₂发生竞争反应。此外，通过改变掺烧煤矸石矿物组成可调节灰渣组成及熔融温度。本研究结果可为通过掺烧高碱煤与煤矸石来缓解锅炉沾污和结渣难题提供科学参考。

为避免超细WC-Co粉体制备过程中形成对烧结过程及其产物带来不利影响的η相（Co₆W₆C或Co₃W₃C），提出了WO₃-Co₃O₄预还原至WO₂-Co，再深度还原碳化至WC-Co的技术路线。主要考察了600℃，H₂-C₂H₄-Ar气氛条件下，Co含量及钴源粒径对WO₃-Co₃O₄预还原过程的影响规律，并对预还原产物进行了深度还原碳化性能测试。结果表明，Co的存在可催化C₂H₄裂解析出H₂和C，显著加快WO₃预还原速率，且随着Co含量增加其预还原速率显著增加；乙烯析碳速率和析碳量也随Co含量增加而增加。钴源粒径对WO₃还原速率和C₂H₄析碳速率有显著影响，本实验体系下，纳米钴源体系中C₂H₄析碳速率大约是微米钴源体系的2倍；同时，纳米钴源体系中WO₃也具有较快的还原速率。8%Co含量的预还原产物在950℃、甲烷分压1.25%条件下焙烧60 min，可获得无η相的WC-Co复合粉体。

煤沥青是由多环芳烃组成的复杂混合物，其具有含碳量高的特点，是合成各种功能性碳材料的优质前体之一。以煤焦油沥青为原料、糠醛为交联剂，在硫酸催化作用下反应形成沥青-糠醛凝胶，进而经过常压干燥和碳化处理得到碳气凝胶，探讨了煤焦油沥青与溶剂、交联剂和催化剂的比例对沥青-糠醛凝胶的凝胶化程度以及碳气凝胶微球密度的影响。扫描电镜（SEM）结果显示，碳气凝胶微球的微观结构是由球状颗粒堆积而成；傅里叶红外光谱仪（FTIR）和同步热分析仪（TG）解析了沥青-糠醛凝胶在凝胶过程中的结构演变，及形成机理；CO₂活化后，碳气凝胶微球的孔隙结构得到明显改善，并保留了球状颗粒的微观形貌，且颗粒形状规整、表面光滑。

采用共沉淀法，以草酸为沉淀剂，过渡金属锰作为钴的替代元素，制备了系列不同钴锰比例的镍钴锰铝锂（LiNi_0.8Co_0.10-y Mn_0.05+y Al_0.05O₂，y=0.01，0.02，0.03，0.04）四元材料，研究锰对钴的逐步取代对镍钴锰铝锂四元材料的性能产生的影响。实验结果表明，当y=0.02时的LiNi_0.8Co_0.08Mn_0.07Al_0.05O₂材料具有最好的形貌、结构发育程度以及电化学性能。钴锰共掺杂对合成的LiNi_0.8Co_0.10-y Mn_0.05+y Al_0.05O₂材料产生了协同作用，且锰掺杂比例低于钴时可以提升材料电化学容量，当锰掺杂比例超过钴时容量开始下降，说明掺杂比例过多的锰对合成的高镍四元材料的电化学性能提升没有助益。

通过溶液燃烧法成功合成了一系列非活性K⁺掺杂的尖晶石型 (K _x CoCrFeMnNi)_3/(5+x)O₄(x=0，0.5，1，1.5)高熵氧化物锂离子电池负极材料，系统研究了K⁺掺杂对结构和储锂性能的影响。结果表明：随着K⁺掺杂量的增加，均可制备出具有单一尖晶石结构的纳米晶粉体材料，其中等摩尔K⁺掺杂的 (K_1/6Co_1/6Cr_1/6Fe_1/6Mn_1/6Ni_1/6)₃O₄高熵氧化物负极材料具有最高的比容量、优异的循环稳定性和倍率性能。(K_1/6Co_1/6Cr_1/6Fe_1/6Mn_1/6Ni_1/6)₃O₄电极在200 mA·g^-1电流密度下，首次放电比容量为1295 mA·h·g^-1（首次库仑效率78%）；随着循环的进行，可逆比容量先降低后增加，循环150次可逆比容量增加至1505 mA·h·g^-1；即使在1000 mA·g^-1大电流密度下循环500次后仍具有1402 mA·h·g^-1的可逆比容量（均高于理论比容量898 mA·h·g^-1）。低价非活性K⁺的掺杂由于电荷补偿效应使晶格常数降低，但高构型熵稳定的晶体结构提高了循环稳定性；丰富的表面氧空位、较小的晶粒尺寸和介孔结构，增加了赝电容贡献率和电子/离子传输能力，从而显著提升了材料的比容量和倍率性能。

利用量子化学的密度泛函理论，对MOCVD生长InN的气相反应路径进行较全面的计算分析，通过计算不同温度下各反应的Gibbs能差和反应能垒，分别从热力学和动力学角度确定从TMIn/NH₃生长InN的主要气相反应路径。研究发现：当载气为N₂时，InN生长的气相反应路径主要为热解路径与加合路径的竞争。在高温（T>873.0 K）时以TMIn的热解为主，在低温（T<602.4 K）时以TMIn与NH₃的加合反应为主，在中温（602.4 K<T<873.0 K）时以加合物TMIn:NH₃的分解反应为主。当载气为H₂时，由于气相热解和表面反应将产生H和NH₂自由基，H自由基将加速TMIn的热解，NH₂自由基将与TMIn、DMIn等反应生成氨基物DMInNH₂。H自由基还会与氨基物反应，在高温衬底附近生成InNH₂，从而使表面反应前体由传统的MMIn和In变为InNH₂。研究结果给出了InN MOCVD气相反应路径与温度的定量关系，以及H和NH₂自由基的参与引起的新的气相反应路径。

传统的石墨烯制备方法过程复杂且环境严苛，本文使用激光诱导法制备石墨烯，并探索其在太阳能界面蒸发领域的应用。以商业隔热软木板（ICB板）为基底，在其表面通过激光刻蚀诱导生成石墨烯（laser-induced graphene， LIG）作为光热膜（ICB-LIG膜），辅以隔热装置和水输送通道，构建了一个新型的太阳能蒸发器。蒸发性能测试结果表明，该太阳能蒸发器能够在1个标准太阳光照射下实现高达1.33 kg·m^-2·h^-1的蒸发速率，相应的光热转化效率为86.0%。此外，该太阳能蒸发器还具有良好的耐久性，在7次循环实验中蒸发速率仅下降3.0%。

利用聚乙二醇为相变组分，以氮化硼为导热填料，通过两步法络合聚丙烯酸制备了具有相变稳定性的高导热相变复合材料。系统研究了片状氮化硼以及片状/球形混杂填充对复合材料导热以及相变性能的影响，探讨了相变复合材料的定形机理。结果表明，由于紧密的堆砌结构，片状氮化硼能够有效提升复合材料导热性能。填充60%（质量）的片状氮化硼时，热导率最高达到6.437 W/(m·K)。在混杂填充时，球形氮化硼与片状氮化硼的质量比为1∶3以及1∶6时，可以更加有效提升复合材料的导热性能。热储存实验显示，所制备的复合材料具有良好的热存储能力。此外，由于聚丙烯酸与聚乙二醇形成氢键的络合以及氮化硼的片状物理阻隔作用，复合材料在高温加热条件下具有优异的相变稳定性。

利用20 L球爆炸实验平台，系统研究了不同点火延迟时间对CO₂-超细水雾抑制瓦斯/煤尘爆炸特性的影响。结果表明：相比单一抑爆，在CO₂-超细水雾作用下，随着点火延迟时间延长和水雾浓度增大，瓦斯/煤尘爆炸强度削弱，火焰传播速度降低，火焰亮度降低且出现下沉现象，火焰内部煤尘粒子运动状态由向心运动向旋转运动转换。10%CO₂、306 g/m³超细水雾时，在1500 ms点火延迟时的最大爆炸压力和最大压力上升速率比无水雾时分别降低了6.79%和16.14%，最大爆炸压力来临时间延长了24.47%；10%CO₂、204 g/m³超细水雾下，在2000 ms点火延迟时的最大爆炸压力和火焰平均速度比1000 ms点火延迟时分别降低了5.22%和37.5%，最大爆炸压力来临时间延长24.66%。研究结果为气液两相抑爆剂抑制瓦斯/煤尘爆炸控制参数的确定提供了技术指导。