煤气化细渣(CGFS)中有价金属元素的高效提取与分离是实现其全组分高值化利用的关键。本工作以煤气化细渣高炭组分(CGFS-H)为研究对象，重点探究了不同有机酸（柠檬酸、酒石酸、亚氨基二琥珀酸四钠）浸出剂对CGFS-H中铁、铝、钙元素的选择性浸出特性，并进一步对CGFS-H中铁、铝、钙元素的逐级浸出进行了探究，结合XRD、XRF、SEM等分析，明晰了不同有机酸对铁、铝、钙元素的逐级浸出机理。结果表明，亚氨基二琥珀酸四钠对CGFS-H中Fe³⁺的浸出选择性最高，酒石酸则对Fe³⁺、Al³⁺有相近的浸出选择性，而柠檬酸对Ca²⁺的浸出选择性较高。采用亚氨基二琥珀酸四钠、酒石酸、柠檬酸依次逐级浸出Fe³⁺、Al³⁺、Ca²⁺，其浸出率分别达到了79.8%、65.08%、78.6%。这表明，采用不同有机酸逐级浸出方法，可实现CGFS-H中Fe³⁺、Al³⁺和Ca²⁺的高效浸出及逐级分离。研究结果对于突破以CGFS-H为原料的Ca/Fe/Al类水滑石制备技术，实现煤气化细渣材料化高值利用具有重要意义。

木质素包含丰富的芳环结构，对其加氢脱氧可制备绿色可持续航空燃料的芳烃组分。采用水热法合成了一系列负载型FeMoS/NC催化剂，并采用4-乙基愈创木酚作为模型化合物，在反应温度340 °C、氢气压力3 MPa的条件下进行了性能评价。结果表明，MoS₂/NC催化剂的脱氧率为83.4%，而Fe修饰的MoS₂/NC催化剂（Fe_0.3MoS/NC）加氢脱氧率达到100%，芳烃选择性为78.6%。增加Fe/Mo物质的量比，脱氧率降低。通过XRD、TEM、低温N₂吸附-脱附、XPS等手段对催化剂进行表征，结果表明，Fe的引入促进了MoS₂在NC载体表面的均匀分散，增强了催化剂表面的酸性，增加了硫空位的浓度，促进了催化剂对含氧化合物的吸附。采用真实木质素为原料，在反应温度340 °C、氢气压力3 MPa、反应12 h的条件下，对Fe_0.3MoS/NC催化剂的加氢性能进行了性能评价，结果表明，绿色烃收率为65.5%，碳数分布为C₈−C₁₆的组分含量为54.4%，其中，芳烃选择性为63.4%，可作为绿色芳烃航煤组分，该研究可为木质素直接加氢脱氧制绿色芳烃航煤组分提供参考。

本工作运用密度泛函理论（DFT）以及过渡态理论（TST），对n-C₄H₃(1-丁烯基-3-炔)和i-C₄H₃(2-丁烯基-3-炔)与C₂H₂(乙炔)成环反应机理进行了系统的理论研究。对比了n-C₄H₃与i-C₄H₃异构体的成环路径差异，结果表明，n-C₄H₃与乙炔采用自由基链式反应方式结合，以加成环化反应形成产物，产物为苯基(六元环)、富烯基(五元环)和四元环中间体，产物生成速率大小依次为：富烯基(五元环)>苯基(六元环)>四元环；i-C₄H₃与乙炔发生成环反应生成的中间体结构取决于乙炔加到i-C₄H₃的哪个碳原子上，如果乙炔加到i-C₄H₃的2号碳原子，则得到主要产物富烯基(五元环)；而加到i-C₄H₃的4号碳原子，则可能得到产物为苯基(六元环)、富烯基(五元环)或四元环，四元环最快生成，六元环最慢。理论上阐明了反应路径选择性的原因主要是由于异构体结构的不同，本研究从原子级层次解析了乙炔与C₄H₃物种成环的过程，从而为进一步完善碳烟前驱体生成的模型打下了基础。

煤直接液化产品中柴油占比超过60%，与石油基柴油相比，煤直接液化柴油十六烷值为30−40，无法满足≥45车用柴油标准。快速准确地分析煤直接液化柴油化学组成，通过组分调和来实现燃料性质满足柴油标准意义重大。气相色谱等传统分析方法虽精确但也存在分析速度慢、维护复杂且成本高等缺点，难以满足快速实时控制的需求。近红外光谱技术具有快速、无损检测优势，但光谱数据解析的复杂性限制了其应用；机器学习方法能够有效挖掘光谱信息，建立高精度预测模型。本研究结合近红外光谱与机器学习技术，构建煤直接液化柴油的光谱-组成数据库，并采用相关系数法和互信息法进行特征提取，筛选关键波长变量，降低数据维度。在此基础上，对比Lasso、SVR和XGBoost三种机器学习模型的预测性能。结果表明，剔除吸光度大于1的数据可显著提升模型精度，测试集R²从0.85提高至0.96。特征提取后，最优波长变量减少至177列，大幅提高计算效率。其中，基于互信息特征选择的SVR-MI-0.9模型表现最佳，训练集和测试集R²均超过0.98，能精准预测链烷烃、环烷烃和芳烃含量，从而为智能化在线质量监控提供了可靠方法。基于所构建的智能分析模型，自主开发了近红外光谱数据智能分析软件，与全二维气相色谱分析柴油组分结果对比，解析时间节约98%以上的软件分析，预测的绝对误差不超过0.2%，完全实现了煤直接液化柴油组分的快速解析。

CuZnAl（CZA）是合成气制备甲醇反应中广泛应用的工业催化剂，然而其在CO₂加氢制甲醇反应中的催化性能欠佳。关于CZA催化剂中铜物种的催化作用机制仍存在较大探索空间。为此，本研究通过在CZA催化剂中引入不同含量的供电子助剂K，研究了活性Cu物种价态的变化及其对催化性能的影响。H₂-TPR、XPS和HR-TEM表征结果表明，CZA催化剂表面高分散的K物种会抑制CuO的还原，导致在反应温度下仅生成少量Cu₂O活性物种，从而降低催化活性。同时，XRD和Cu LMM谱图分析表明，随着K含量的增加，K修饰CZA催化剂中Cu⁰的比例相应上升，而Cu⁰物种显著促进了逆水煤气变换反应（RWGS），对主反应产生不利影响。此外，基于原位红外光谱结果可以推断，CZA催化剂在CO₂加氢制甲醇反应中遵循HCOO*中间体路径。

化学链甲烷蒸汽重整制氢技术因能够在氧化还原过程中分步生产高选择性的合成气和高纯度的氢气而备受关注。针对单一的铁基氧载体存在循环稳定性差、反应活性较低和易烧结等问题，本工作采用浸渍法分别掺杂Cu、La、Ce三种不同的金属助剂对Fe₂O₃/Al₂O₃氧载体进行改性。对复合氧载体进行了表征和氧化还原循环实验，研究了不同氧载体物理化学性能与反应活性及制氢性能的构效关系。研究表明，尖晶石相CuFe₂O₄相较于钙钛矿LaFeO₃和CeO₂具有更高的反应活性，促进Fe₂O₃的深度还原。Fe58Cu2Al的储氧量可达6.5 mmol/g，在CH₄反应阶段Fe58Cu2Al的失氧量最高达到12.1 g/100 g氧载体，合成气产量达5.15 mmol/g，分别是Fe60Al的1.33倍和1.59倍。在制氢阶段中2%Cu改性的氧载体效果最佳，氢气产量达5.13 mmol/g，是原样的1.51倍，且十次循环以后H₂产量为3.61 mmol/g，仍高于原样一次循环的氢气产量，且H₂纯度均高于98%。

甲烷脱氢芳构化（MDA）作为一种潜在的碳中和技术路径，为苯、甲苯和二甲苯（BTX）的生产提供了石油路线之外的替代方案。阐明布朗斯特酸位（BAS）强度对反应路径的调控机制，以及双功能协同中BAS与钼活性位点的空间邻近效应，仍是催化剂设计领域的关键科学难题。本研究通过同晶金属取代调控分子筛的酸强度，并系统调节Mo-BAS空间距离，结合MDA催化性能评价与密度泛函理论（DFT）计算，解析了两者的独立作用机制。强酸性BAS催化剂（相较于中酸性的铁/镓取代体系）表现出更优异的芳烃收率；而弱酸性硼取代分子筛则展现出最佳的单/双功能协同效应，性能超越中酸体系。DFT模拟表明，酸强度通过调控决速步能垒主导C−H活化机制：铝取代分子筛具有最高活性，硼取代体系则展现出独特的机理研究价值。空间邻近性分析揭示，微米级Mo-BAS距离因超出电子相互作用与传质极限而阻碍协同效能，纳米级邻近则通过加速中间体传输提升反应活性，并有效抑制积炭形成。这些发现建立了通过BAS性质调控与Mo-BAS空间协作优化分子筛催化剂的理论框架，为设计新一代MDA催化剂提供了可操作的指导原则。

光电化学(PEC)水分解是一种将太阳能直接转化为清洁氢燃料的有效途径。铋酸铜(CuBi₂O₄)作为可见光响应的p型半导体，具有合适的带隙与稳定性。然而，其性能受限于较高的界面电阻以及严重的载流子复合。本研究在FTO与CuBi₂O₄之间引入CuO中间层，构筑CuO/CuBi₂O₄光阴极，以改善界面电荷转移。结果表明，CuO/CuBi₂O₄-200在0 V vs. RHE下的光电流密度达−1.71 mA/cm²，是CuBi₂O₄的3.5倍以上；在365 nm处的IPCE提升至~13%，最大ABPE达0.17%。水分解实验显示其氢气产量为2.05 μmol/cm²，显著优于未修饰电极。性能提升表明，CuO层构建了有利的能带匹配，促进了空穴向FTO的传输，并有效抑制了界面载流子复合。本研究提出了一种简便高效的界面调控工程策略，为高性能半导体PEC光电极的设计与开发提供了新的思路与指导。

电催化还原一氧化氮合成氨（NORR）作为绿色能源转化领域的一项核心技术，开发高效的NORR电催化剂是提高氨产量${ {{Y}}_{{\text{NH}}_{3}}} $和法拉第效率${ {{F}}_{{\mathrm{N}\mathrm{H}}_{3}} }$的关键。传统实验方法在高活性NORR催化剂筛选中通常伴随较高的资源消耗和时间成本。本研究采用机器学习与SHAP特征分析相结合的方法，基于单一算法构建堆叠集成模型算法，依托实验数据库系统分析影响NORR反应性能的关键特征。通过评估八种模型算法发现，Stacked-SVR模型预测${ {{Y}}_{{\text{NH}}_{3}} }$测试集R²为0.9223，RMSE为0.0608；Stacked-RF模型预测${ {{F}}_{{\text{NH}}_{3}} }$测试集R²为0.9042，RMSE为0.0900。堆叠集成模型整合了各独立模型算法的优势，在避免过拟合的情况下显示出较强的NORR预测性能。SHAP特征分析结果表明，催化剂组成中Cu元素含量对催化性能影响最为显著；湿化学还原法制备、采用碳纤维（CP）导电衬底和HCl电解液的组合更利于催化活性提升；同时，适度降低工作电位、控制电解液体积于中低水平、减少催化剂负载量并提高电解液浓度，可协同促进$ { {{Y}}_{{\text{NH}}_{3}} }$与${ {{F}}_{{\text{NH}}_{3}} }$的同步提升。

本研究采用电化学-离子交换法结合光沉积技术在复合材料表面负载贵金属银纳米粒子，构建了新型Z型异质结Ag/Bi₂MoO₆/BiOBr复合薄膜。借助Ag纳米粒子的局域表面等离子体共振（LSPR）效应显著提升了半导体材料的光催化性能。同时，贵金属Ag作为电子传输媒介，有效促进了Bi₂MoO₆与BiOBr之间的界面电荷转移，同时形成肖特基势垒，显著抑制了光生电子-空穴对的复合。实验结果表明，Ag修饰的Bi₂MoO₆/BiOBr薄膜在CO₂光催化还原反应性能明显优于Bi₂MoO₆/BiOBr薄膜。实验发现，Ag负载量与CO₂还原制CO效率呈现先升高后降低的非线性关系。当Ag负载量为1.5%时，复合材料表现出最优的光催化活性，CO生成量达到13.65 μmol/(g·h)。本研究系统阐明了Ag/Bi₂MoO₆/BiOBr薄膜增强光催化CO₂还原性能的内在机制，为设计高效光催化剂提供了重要参考，对可持续能源技术发展具有重要意义。

汽车尾气中的乙烯(C₂H₄)是一种高活性VOCs，受光照可与NO_x反应生成O₃和二次有机气溶胶(SOA)，而SOA是PM_2.5的重要前体物，PM则会危害人体健康和大气环境。本工作基于密度泛函理论(DFT)，设计MgO负载Ag-Cu双金属的新型催化剂，并分析Ag、Cu负载对催化剂几何结构、稳定性、反应物吸附特性的影响，进而探究AgCu-MgO的C₂H₄催化氧化性能。研究表明，负载Ag能有效提升催化剂的C₂H₄吸附性。在Ag-MgO的基础上负载Cu，构成AgCu-MgO双金属催化剂(DACS)则能提高对C₂H₄的氧化性。通过分析催化剂的Ag、Cu双金属负载结合能，以及对C₂H₄、O₂的吸附能，筛选三种构型进行C₂H₄催化氧化路径计算。其中，AgCu-MgO构型6表现出最优的C₂H₄氧化性能。本研究可为汽车排放烯烃类污染物的氧化型催化剂设计提供新思路，并对汽车后处理技术的开发具有重要参考价值。

通过基于生物质的炭催化剂实现H₂O₂的光合成，可推动可再生资源向高附加值化学品的转化，但其表面官能团对反应动力学的调控机制尚未得到充分研究。本论文制备富含氧官能团的水热炭球（CS），在无需牺牲剂的条件下，在纯水与真实海水中均展现出卓越的H₂O₂产率（653 μmol/(g·h)）。该催化剂在可见光驱动的苄胺光催化氧化反应中同样表现出优异活性（92%转化率及>99%选择性）。综合分析表明，CS表面富含的氧官能团与其高效光催化性能密切相关。通过Zeta电势表征，CS在海水中显示更正的Zeta电势，会削弱其对${\cdot {\mathrm{O}}_2^- }$的静电排斥作用，从而促进了这些活性氧中间体在液-固界面的富集。本论文为开发基于生物质的无金属光催化剂拓宽了研究思路。

本研究阐明了包覆沥青软化点对其氧化交联过程及衍生硬炭材料储钠性能的非线性作用机制。通过对低（80 ℃）、中（160 ℃）和高（260 ℃）三种软化点沥青的对比分析发现，80与260 ℃沥青在氧化过程中可引入较高氧含量（20%−25%），形成以酸酐/酯基为主的深度交联结构，有效抑制了炭化过程中的石墨化倾向，最终获得层间距大、无序度高且闭孔丰富的硬炭材料。该材料展现出优异的储钠性能：EPOC-80和EPOC-260的首次充电容量分别达314.7与306.6 mA·h/g，首次库伦效率分别为81.3%与79.3%，并具备良好的循环稳定性和倍率性能。相比之下，中等软化点（160 ℃）沥青氧化后氧含量较低（约5%），交联程度不足，导致所得硬炭结构致密、层间距较小（3.46 Å）、可用于储钠的有效空间有限，其容量显著降低至173.2 mA·h/g。本研究为通过前驱体软化点的精准调控以优化硬炭负极结构提供了新的设计思路与理论支撑。

在全球能源转型与碳中和背景下，控制生物质燃烧产生的氮氧化物（NO_x）排放具有重要意义，开发高效低温催化剂成为当前研究重点。本研究以Nb掺杂改性Mn₇-Cu₃/BCN催化剂，构建Mn₇-Cu₃-Nb_x/BCN体系，通过选择性催化还原（SCR）活性测试优选掺杂量，并结合原位红外表征与密度泛函理论（DFT）模拟探究反应机理。结果表明，0.05% Nb 掺杂的催化剂脱硝活性最佳，150−275 ℃时NO转化率≥94%，且抗碱金属 K中毒性能提升。机理研究表明，该催化剂在低温下同时存在E-R和L-H两种反应路径，通过多活性位点协同作用促进NH₃与NO的高效转化。DFT计算进一步证实，两条路径均具有反应能垒低、放热显著的特征，保障了低温反应的高活性与可行性。本研究为Nb改性Mn-Cu基负载型催化剂的设计与机理研究提供了理论支持。

本论文研究了钙钠复合助剂对平朔高灰熔点煤灰熔融特性的影响，利用X射线衍射（XRD）、FactSage等手段分析了高温下矿物质的演化行为，并结合分子动力学模拟从微观层面揭示了钙钠复合助熔剂对熔融机制的影响。结果表明，平朔煤灰的硅铝比（Si/Al）接近1.0，硅铝总量接近90%。添加20%的钙钠复合助熔剂后煤灰的熔融温度均低于添加等量CaO、Na₂O的熔融温度，说明钙钠复合对煤灰熔融特性的影响存在协同作用。当钙钠比（CaO/Na₂O）为3∶7，平朔煤灰的流动温度最低，分别降至1377和1279 ℃。高温下石英与Na₂O、CaO反应生成霞石、钠长石、钙黄长石等低熔点矿物，抑制莫来石的生成，而且形成低温共熔物。此外，由于Na⁺的扩散性高，破坏硅酸盐网络结构，诱导Ca²⁺优先配位[AlO₄]⁵⁻，进一步破坏Si-O-Si网络。添加钙钠复合助熔剂显著增强了高温下煤灰中原子扩散能力，1600 K以下的均方根位移（MSD）显著高于添加CaO、Na₂O的MSD值。

程序升温脱附（TPD）是表征表面吸附行为的关键实验技术，能够获取吸附能等关键参数，在多相催化研究中具有广泛应用。然而，现有TPD数据多以图像形式呈现，缺乏系统、数值化的数据集，限制其定量分析与理论建模的潜力。CO作为典型探针分子，其TPD谱图可用于识别表面活性位点，是研究金属表面性质的有效手段。本研究构建了一个涵盖Cu、Ru等14种过渡金属单晶表面的CO-TPD数据集。通过提取文献谱图的数值点并进行归一化处理，完整保留了峰形等关键信息。数据集中还包含升温速率等实验参数，并建立了标准化的数据采集与质量控制流程。该数据集不仅可作为"指纹谱图库"用于复杂催化剂TPD谱图解卷积，还可作为实验基准，用于理论模型的参数校正。本工作为表面科学与催化研究提供了可靠的数据基础，有助于催化剂活性中心的微观解析与理性设计。