2025年, 第58卷, 第02期　
刊出日期：2025-02-15

  

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  直接电解海水制氢技术的挑战与进展

  苏荣欣, 李昊轩, 王晶辉, 崔美, 黄仁亮

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(02): 111-121.

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  在“双碳”背景下，采用水电解技术制备绿色可持续的氢能源来替代化石能源逐渐成为研究热点．目前，成熟的电解制氢技术均以纯水为原料．但是，由于淡水资源危机的加剧，直接电解海水制氢成为很有前景的替代方案．然而，由于海水自身的特性，如低电导率及复杂的盐分组成，导致了电极腐蚀、催化剂中毒、活性位点阻塞等问题，大大增加了直接电解海水制氢的难度．因此，本文针对直接电解海水制氢技术面临的挑战进行了深入探讨，并系统梳理了近期报道中提出的解决策略与工作进展．首先，阐述了通过掺杂改性、缺陷构造以及界面工程等手段优化电催化剂性能的方法，旨在提升催化剂的活性和选择性，使其在低电导率的环境中仍能高效催化析氢和析氧反应．其次，讨论了在电极表面构建耐腐蚀层或离子阻挡层的技术，以有效抵御海水中的腐蚀性离子对电极材料的侵蚀，以延长其使用寿命．此外，还介绍了通过设计特定的电极结构，创造出有利于电化学反应局部环境的方案，促进离子传输并抑制竞争反应的发生．这些工作揭示了通过合理设计电催化剂、优化电极结构和构建有效的防护层，有望克服海水特性所带来的催化障碍，推动直接电解海水制氢技术向商业化迈进．本文最后对该领域的发展前景进行了分析和展望，以期为直接电解海水制氢催化剂的设计提供参考，为全球能源转型和“双碳”目标的达成提供有力支撑．
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  负载于SiO₂表面的NiO/MgO催化剂用于CO₂甲烷化反应

  刘源, 范鑫强, 姜雅楠, 张弦

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(02): 122-130.

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  CO₂甲烷化反应被认为是解决CO₂利用难题的重要手段之一，其中NiO/MgO催化剂具有广阔的应用前景，如何提高NiO/MgO催化剂的比表面积成为其实际应用的关键．本文通过沉积-沉淀法在高比表面积的SiO₂载体上负载NiO/MgO催化剂，制备出了NiO/MgO/SiO₂催化剂．研究了MgO含量、催化剂煅烧温度和还原温度对催化剂结构和甲烷化性能的影响．采用X射线衍射、程序升温还原、N₂吸附-脱附等温线、程序升温脱附、X射线光电子能谱和场发射透射电子显微镜等技术手段对催化剂进行了表征．结果表明，合适的MgO含量既能够对SiO₂形成较好的阻隔以避免NiO与SiO₂的反应，又可与NiO形成对甲烷化有利的Ni_1-xMg_xO固溶体．适当的煅烧温度能够在形成Ni_1-xMg_xO固溶体的同时避免对反应不利的Ni Mg SiO₄的形成．此外，通过调控还原温度还能够调变Ni⁰和Ni_1-xMg_xO的比例，从而使二者在催化体系中起到协同作用，促进CO₂甲烷化反应．30%MgO含量、550℃煅烧、550℃还原后的Ni30MgSi-550-550R催化剂在CO₂甲烷化反应催化剂性能测试中表现出最佳的催化活性，且在350℃、30 000 mL/（g·h）空速的测试条件下展现出200 h的稳定性，这是由于在催化剂表面具有适当的Ni⁰/Ni_1-xMg_xO比例和对应的充足的H₂和CO₂活化位点．在高比表面积的SiO₂上负载NiO/MgO催化剂、在SiO₂表面进行固相反应和通过还原温度调控Ni⁰-Ni_1-xMg_xO活性对的策略为用于CO₂甲烷化反应的催化剂设计提供了一种新思路．
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  热输入对高锰钢模拟焊接热影响区显微组织和低温韧性的影响

  邸新杰, 曲永涛, 利成宁, 巴凌志

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(02): 131-137.

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  作为一种新型低温用材料，高锰钢具有低成本及优异的低温力学性能等优势，在液化天然气(LNG)储罐等领域具有广阔的应用前景．然而在实际焊接过程中，高锰钢焊接热影响区中距熔合线3 mm处的特定亚区(FL+3亚区)会出现低温韧性恶化的问题．针对这一问题，采用焊接热模拟技术再现了不同热输入下的FL+3亚区，通过扫描电子显微镜、电子探针X射线显微分析仪和透射电子显微镜观察晶界比例、偏析及析出相．结果表明，模拟FL+3亚区具有较好的低温韧性，其冲击断口形貌均为大量的韧窝．然而随着热输入增加，其冲击吸收功降低，10 kJ/cm、15 k J/cm、30 k J/cm和45 k J/cm不同热输入下的-196℃冲击吸收功分别为177 J、172 J、138 J和112 J.FL+3亚区的显微组织为单相奥氏体组织，随着热输入增加，晶粒尺寸无明显变化，而小角度晶界比例升高．热输入增加会加剧FL+3亚区的C、Cu晶界偏析和Mn带状偏析，提高偏析区域的层错能以及临界剪切孪晶应力，使得孪生机制难以激活，进而减弱了形变孪晶的韧化作用，降低低温韧性．当热输入增大到15 k J/cm时，FL+3亚区开始析出尺寸约为200 nm的颗粒状和块状Cr23C6碳化物，且析出相的尺寸和数量随着热输入增加而进一步增加．碳化物析出易引起应力集中而产生裂纹萌生，降低了FL+3亚区的低温韧性.
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  基于SVR模型的MIV法的复方苦参抗菌成分的辨识研究

  蒋建兰, 庞汐伦, 冯佳, 赵腾飞

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(02): 138-146.

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  由苦参、蛇床子、黄柏和白鲜皮四味中药材组成的复方苦参外用洗剂，因其抗菌效果而广泛应用于临床．然而，目前尚不明确复方苦参洗剂中哪些成分对于抗菌是显著有效的．本文以复方苦参洗剂为研究对象，应用化学计量法建立复方苦参中化学成分与其对金黄色葡萄球菌抑制活性之间的组效关系模型，并通过支持向量回归(SVR)的平均影响值(MIV)法识别出复方苦参中作用显著的抑菌成分．采用HPLC-UV法建立复方苦参醇提物的指纹图谱的检测方法，用该检测方法检测了43批次不同配方或不同提取工艺得到的复方苦参醇提物，并采用内标法对43批次样品中35个共有峰进行了定量分析，采用UPLC-MS/MS对共有峰进行了定性分析．采用分光光度法测定了该43批次样品对金黄色葡萄球菌的抑制率，然后利用PSO-SVR模型建立各成分与抗菌效果的组效关系模型．在该PSO-SVR模型的基础上，采用平均影响值法识别出复方苦参洗剂中抑菌效果显著的成分．结果表明，显著抑菌活性成分为异苦参酮、非洲防己碱、小檗碱、异茴芹内酯、苦参新醇O、黄柏碱、木兰花碱、苦参酮和蛇床子素，这些成分的抑菌作用均有文献报道．本文抑菌活性成分的识别结果可为今后抑菌药物的研发提供参考．
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  基于动网格技术的CMT-WAAM熔池温度场与流场数值模拟

  申俊琦, 张帆, 胡绳荪, 耿辉

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(02): 147-156.

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  针对基于冷金属过渡(CMT)技术的镁合金摆动电弧增材制造(WAAM)过程，采用流体体积(VOF)法和动网格(DM)技术建立了分别考虑熔滴和熔池受力情况的三维瞬态数值模型，研究了熔滴过渡和熔池流动过程中的温度场和速度场变化.结果表明，相应试验结果验证了所建立数值模型的有效性，熔池和熔滴尺寸参数模拟的误差均在10%之内.在CMT-WAAM开始阶段，基板表面和焊丝在电弧热作用下熔化分别形成熔池和熔滴．在焊丝向熔池送进过程中，熔滴不断长大，并在表面张力作用下长成球形．熔滴金属的热量主要通过热传导的形式向熔池传递，熔池最高温度随着熔滴金属的过渡而升高，熔池最高温度可达2 100.0 K；随着焊丝的回抽，熔池最高温度降低至1 763.6 K．随着焊丝向熔池送进，熔滴的最大速度从1.87 m/s逐渐减小到1.07 m/s，而熔池的最大速度仅为0.87 m/s．当熔滴金属前端与熔池发生接触后，液态金属的最大速度可达到4.21 m/s；随着焊丝的机械回抽，液态金属的最大速度在1.69～4.90 m/s范围内波动．当熔滴与熔池接触发生短路时，熔滴金属从熔池表面流向熔池底部和熔池两侧，增强了对熔池底部和熔池两侧的搅拌作用，使得熔池体积增加；当熔滴从焊丝端部脱离后，熔池中液态金属从熔池底部流向熔池表面和熔池两侧，熔池温度和流体速度随之降低，从而减缓了熔池体积的增加．此外，熔池自由表面在摆动电弧作用下呈现波浪式变形.
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  2Cr13马氏体不锈钢扫描激光-电弧复合焊接接头元素分布及组织性能研究

  郝康达, 刘友情, 徐连勇, 韩永典, 赵雷

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(02): 157-166.

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  2Cr13马氏体不锈钢力学性能优异、耐蚀性适中且价格低廉，具有较好的利润空间，一直以来是钢铁企业尝试发展的焦点．先前研究表明激光-电弧复合工艺有望通过焊丝材料的合理选择，借助合金化的作用实现2Cr13不锈钢的高质高效焊接，但存在合金元素分布不均的问题．为此，本文在2Cr13马氏体不锈钢激光-电弧复合焊接中引入激光束扫描，依靠其对熔池的强烈搅拌效应调控合金元素分布，改善熔池冶金行为，细化晶粒，从而增强焊缝韧性．本文着重探讨了激光束扫描频率对焊缝中合金元素分布特征、焊缝组织和力学性能的影响规律．结果表明，扫描激光束对熔池的高频搅拌效应加强了熔池对流，驱动Ni元素由电弧作用区域向激光作用区域转移，焊缝中Ni元素分布不均匀程度减弱．在扫描半径0.4 mm情况下优化的扫描频率为20 Hz，此时焊缝中激光作用区域Ni元素含量由不引入激光束扫描时的1.52%提高至2.03%，对应的奥氏体相含量由4.7%增加至10.1%．同时，激光束扫描行为降低了熔池温度梯度，有利于改善焊缝成形，热影响区粗晶区平均晶粒尺寸由4.92μm降为3.95μm，焊缝杯突测试中断裂位置由熔合线转向母材，且杯突值由4.82 mm提升至5.89 mm，提升幅度达22%．相关研究将对以后马氏体不锈钢焊接研究提供一定的理论指导，对扩大马氏体不锈钢的应用领域具有重要的推动作用．
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  金属封装管壳随机振动失效分析及抗振优化

  龚宝明, 张杰, 李海龙

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(02): 167-174.

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  混合集成电路(HIC)在服役过程中，壳体长边焊缝内侧区域容易出现裂纹导致失效．本文针对这一问题对失效现象进行振动研究，通过仿真软件ABAQUS对大尺寸混合集成电路封装管壳进行模态和随机振动实验与仿真，确定器件的薄弱位置，通过有限元仿真和实验结合的方法确定随机激励作用下盖板的危险位置和危险共振频率．针对薄弱位置设计不同载荷下的正弦振动实验，通过振动实验和仿真相结合的方式拟合得到材料的S-N曲线．分析危险位置的失效原因为由于随机振动的应力集中现象导致的振动疲劳失效，并针对失效原因设计减振方案对原模块进行结构优化设计，对危险位置进行减振加固，提升器件的抗振性能．
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  MnCe-Al₂O₃球形颗粒的制备及其催化燃烧环己烷性能

  尤生萍, 付换然, 秦璐, 王康, 王希涛

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(02): 175-180.

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  挥发性有机物（VOCs）的大量排放会导致环境污染和健康危害，催化燃烧是高效降解VOCs的重要手段之一．采用海藻酸盐溶胶-凝胶法合成了MnCe-Al₂O₃球形颗粒作为环己烷催化燃烧催化剂，结果表明，Mn催化剂中适当添加Ce可提高Mn O_x的分散性，降低催化剂H₂-TPR还原温度．催化剂中Mn和Ce摩尔比为3∶1、煅烧温度650℃时，催化剂催化燃烧环己烷活性最高，可以在345℃实现环己烷的完全转化．反应24 h后，催化剂仍显示出几乎100%的环己烷转化率，表现了良好的催化稳定性．与浸渍法制备的催化剂相比，MnCe-31-Al₂O₃-650催化剂活性更高．
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  Wi-Fi接收机的高效频率偏移估计电路设计

  刘强, 伍问岳

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(02): 181-188.

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  频率偏移估计能够保证正交频分复用系统中符号间的正交性，是Wi-Fi接收机进行信号处理的重要步骤．针对频率偏移估计电路设计面临的计算精度与资源消耗的权衡难题，设计了一种高效率的频率偏移估计电路．首先，对频率偏移估计数据处理流程进行总体仿真，探究不同数据位宽对估计结果的均方根误差的影响．并对各级中间变量的动态范围进行细粒度划分，确定各级中间变量的合适数据位宽和截断方式，在保证数据精度的同时节约硬件资源．其次，采用一种基于查找表的复数相角计算单元，通过查表和近似计算提高电路性能．通过此方法可以降低逻辑资源消耗超过96.9%，减少95%的执行周期数．最后，通过时分复用设计使粗、精频率偏移估计共享硬件资源，并通过优化流水线结构进一步减少电路的资源消耗、提高数据处理速度．实验结果显示，在信噪比为15 dB时，与粗频率偏移估计电路相比，设计的电路使Wi-Fi接收机误码率降低了约17.94%；与分别进行粗、精频率偏移估计的电路相比，查找表消耗数量降低了71.22%，功耗降低了24.73%，处理所需周期数降低了22.90%．所设计的频率偏移估计电路最终实现了资源消耗和计算精度的优化．
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  基于显著性双流分层感知的NR-IQA方法

  史再峰, 康泰, 王云峰, 肖云泽, 罗韬

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(02): 189-198.

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  人类会对图像中自己感兴趣的区域给予更多关注，所以发生在这些区域的失真更容易影响人类的主观质量分数，而传统的图像质量评价(IQA)方法并未考虑到图像中不同区域受到关注度的差异，导致预测分数与主观质量分数的拟合程度较低．针对上述问题，本文利用显著图对图像中受关注区域的突出表达能力，提出了一种基于显著性双流图像质量评价(SDS-IQA)方法．该方法采用显著图分支和原始图分支组成的双流分层结构，从整体和重点两个方面实现图像的多尺度失真感知，并通过双重注意力在所有维度上体现特征的重要性差异．SDS-IQA在特征提取阶段通过在显著图分支使用空间注意力来体现尺度空间上的关注度差别，并通过空间注意力权重来强化原始图分支的失真信息表达，在特征融合阶段使用门控注意力强化通道间的交互，使通道间的关注度差异在融合时得到体现，最终实现对受关注区域中失真的重点表征．实验结果表明，该方法在3个合成数据集(LIVE,TID2013,CSIQ)上的皮尔森线性相关系数分别达到0.976、0.896和0.865，在2个真实数据集(LIVEC,Kon IQ-10k)上分别达到0.869和0.877，证明SDS-IQA的预测结果与人类主观评价有良好的拟合性．
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  岛礁护岸结构裂缝缺陷内脉动压强特征试验研究

  于通顺, 王安琦, 孟晓宇, 张振宇

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(02): 199-207.

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  波浪作用下珊瑚礁礁坪上会产生高速波生流，在高速水流的冲击下岛礁护岸结构易发生破坏、失稳．因此，开展了珊瑚礁礁坪上波生流与有裂缝缺陷护岸结构相互作用的物理模型试验，对裂缝内脉动压强的频谱密度、特征值分布、强度分布等特征进行了研究和分析，揭示了护岸结构裂缝缺陷内脉动压强的变化规律．研究表明，礁坪上护岸结构裂缝缺陷特征位置处脉动压强的主频值与入射波频率对应．护岸结构上、下部沉箱间的裂缝入口处脉动压强分布较为平稳，沿裂缝缺陷逐渐延伸分布的各测点脉动压强脉动剧烈程度提升，且复杂湍流在裂缝缺陷内发生扩散且于垂直方向摆动幅度提升．同时，湍流的脉动作用在裂缝缺陷内形成的负压持续增大，导致中间位置脉动压强均方根值突增，突变数值约为入口附近7倍．当礁坪长度分别取1 m、2 m和3 m时，裂缝缺陷内中间位置处脉动压强系数分别约为入口处的1.59倍、1.49倍和1.46倍．裂缝缺陷内沿程各测点位置处的脉动压强系数对于大坡度礁前斜坡更为敏感，且礁前斜坡率越大，脉动压强系数越大．存在1个临界坡度，当礁前斜坡率大于临界坡度且礁上相对淹没度位于0.61～1.04时，脉动压强系数值下降约34%；当礁前斜坡率小于临界坡度时，脉动压强系数沿程分布与礁前斜坡率之间相关性较弱．
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  渗流下砂-黏复合地层人工冻结多场耦合研究

  高国耀, 郭伟, 任宇晓, 祝显鹏, 郭文秀, 闫澍旺

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(02): 208-220.

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  对滨海地层进行人工冻结时，高盐度地下水渗流的存在将严重影响冻结范围和冻结效果．利用NavierStokes方程来描述滨海地层中液相在渗流过程中的动量守恒，考虑渗流过程中土颗粒表面对盐的吸附和解吸作用以及人工冻结时液相的非对流通量对水、盐相变的影响，建立了渗流对砂-黏复合地层人工冻结过程影响的水-盐-热-力学理论模型．基于COMSOLMultiphysics软件对渗流条件下砂-黏地层的水-盐-热-力学多场耦合理论模型进行求解，理论模型的计算结果与试验结果吻合效果较好．通过参数分析，研究了不同渗流速度对水、盐、温度和位移等各组分空间分布的影响．研究结果表明：随着渗流速度从0 m/d增加到15 m/d，在砂-黏复合地层上游土体的冻结难度加大，导致上游的冻结区域向下游缩减，下游的冻结区域沿着渗流向下游扩大，砂层和黏土层中冰的前缘位置分别向下游移动了60.3%和26.2%；砂层和黏土层中盐结晶前缘位置分别向下游移动了50.4%和26.2%；在水、盐相变的作用下，土体内部应力的增加导致土体位移的增加，在砂-黏复合地层的下游，人工冻结后黏土层的位移峰值增大了107%；冻结管在垂直于渗流方向上的影响范围被缩减，在冻结管两侧0.3 m位置处黏土层和砂层的温度分别降低了1.1℃和2.8℃，黏土层和砂层的总含盐量分别增加了8.5%和7.4%，黏土层和砂层中冰的产生范围分别缩小了10.2%和54.9%．本文研究成果为渗流条件下的滨海地层的人工冻结施工提供了理论依据和数据支撑．