学生多元化角色培养:化工热力学融合式教学模式改革与实践

基于化工热力学课程教学改革现状,文章探索了基于工程案例分析的融合式教学模式的应用。以化工热力学中能量平衡和火用平衡计算的知识点为例,教师选取历届全国大学生化工设计竞赛优秀作品中的工程案例,通过课堂理论知识讲授、课后工艺流程分析及措施优化,以小组研讨答辩的形式实施教学改革,引导学生从学习者、设计者等角度深入思考,进而培养学生的多元化角色。教学实践表明,这种基于工程案例分析的融合式教学模式对提高课程教学效果和培养复合型卓越工程人才大有裨益。     

连锁结构金属-有机骨架材料强化甲烷吸附的分子模拟研究

A systematic molecular simulation study was performed to investigate the effect of catenation on methane adsorption in metal-organic frameworks (MOFs). Four pairs of isoreticular MOFs (IRMOFs) with and without catenation were adopted and their capacities for methane adsorption were compared at room temperature. The pre-sent work showed that catenation could greatly enhance the storage capacity of methane in MOFs, due to the for-mation of additional small pores and adsorption sites formed by the catenation of frameworks. In addition, the simulation results obtained at 298 K and 3.5 MPa showed that catenated MOFs could easily meet the requirement for methane storage in porous materials.     

高稳定铪金属-有机骨架材料的合成及二氧化碳捕获性能

采用高温高浓度的溶剂热方法,合成了具有高结晶度的一种金属-有机骨架（metal-organic framework,MOF）材料UiO-66（Hf）,并发现该材料在沸水、酸碱等苛刻条件下具有非常好的化学稳定性。为了提高其对气体的吸附分离性能,进一步采用具有不同官能团的有机配体--氨基对苯二甲酸（H₂BDC-NH₂）、硝基对苯二甲酸（H₂BDC-NO₂）、溴对苯二甲酸（H₂BDC-Br）,设计合成了孔道表面具有不同化学性质的三种新型铪MOF材料,且这些材料与UiO-66（Hf）具有相同的拓扑结构。同时,气体吸附实验结果表明,极性基团的引入,尤其是氨基的引入,能极大提高材料对CO₂/N₂以及CO₂/CH₄体系的分离性能。这为以后应用于化工体系分离的新型多孔材料合成提供了理论指导。     

锆基金属-有机骨架材料分离放射性气体Rn的计算筛选研究

存在于建筑材料中的氡（Rn）已成为污染室内空气的一种重要放射性气体,对人体的健康可造成严重的危害,因此开发对其具有高效分离性能的新型多孔材料具有重要的意义。基于巨正则系综的Monte Carlo模拟方法,系统地研究了163种锆基金属-有机骨架材料（Zr-MOF）在常温常压下对Rn/N₂和Rn/O₂混合气体的吸附分离性能。研究结果表明材料的孔径在5.6~8 ?（1 ? =0.1 nm）、可接触比表面积在140 ~870 m²/g范围内,材料对Rn的分离效果最佳,并发现在材料骨架上引入强极性功能基团如羧基（—COOH）和硫磺基（—SO₃H）等,有利于强化材料对Rn的分离性能。研究结果可为今后理性设计与可控合成相关高性能MOF分离材料提供理论参考。     

化工专业课程的思政建设探索与实践———以化工工艺学为例

化工工艺学是化学工程与工艺本科专业的核心必修课程,该课程的思政建设非常必要。文章基于该课程的特点,简要阐明了课程思政建设的可行性与必要性,然后结合已有的教学实践,从教学理念、教学方法和教学评价等方面探讨了思政教育融入专业教育的路径。教学实践表明,课程思政建设可以实现立德树人与专业育人的有效统一,促进学生的全面发展。     

负载金属的ZIF-8催化活性的计算化学研究

金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks,MOFs)是一类新型纳米多孔功能材料。由于其独特的结构特征,在催化方面展现出潜在的应用价值。采用分子模拟结合密度泛函理论的计算方法系统地研究了ZIF-8在负载金属Pd、Ag、Pt、Au后的催化活性。结果表明,金属与材料之间主要有3种作用方式,其中以"碳-金属-碳"(C-M-C)形式最为稳定。并且对于同一种方式,ZIF-8负载金属后的稳定性顺序为:PdAgPtAu。同时,利用CO作为探针分子,系统地研究了负载金属后ZIF-8的催化活性,发现这些金属原子的Lewis酸性强弱与其电子接受能力有关,其催化活性顺序为:PdPtAgAu。这为研究利用MOF材料负载金属用于催化提供了参考信息。     

金属有机骨架材料在CO_2/CH_4吸附分离中的研究进展

CO2/CH4分离能耗高是生物甲烷过程核心难题之一。金属有机骨架材料(metal organic frameworks,MOFs)由于其优异的CO2吸附分离性能,被视为最具潜力的CO2分离捕集材料,近年来引起了广泛的关注。本文结合沼气的特点和MOFs研究的最新进展,对MOFs材料在CO2/CH4吸附分离过程的相关实验研究工作进行了综述。     

金属-有机骨架材料在气体膜分离中的研究进展

金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks,MOF)由于具有高比表面积、大孔隙率、功能性孔道结构以及种类多样性等特征,在储气、分离、催化、载药和光学等领域受到重视。其中,制备纯MOF膜或基于MOF的混合基质膜(mixed matrix membranes,MMMs)并用于气体分离,被认为具有潜在的应用前景。目前为止,实验合成的MOF材料种类已有两万种,为了快速筛选出合适的MOF材料作为膜材料,计算化学的方法可以极大地缩减MOF膜的研究周期,并有助于指导实验合成高效膜分离材料。本文分别从计算和实验两方面介绍了MOF膜在气体分离中的研究进展,分析表明,MOF膜的研究总体上向功能性更强、稳定性更高的方向发展,但是利用计算方法建立MOF膜的构效关系还存在一定的难度。因此,建立MOF膜的结构与性能表征的新概念、新方法,并利用MOF膜的结构-性能关系指导实验合成高稳定性、低成本的膜材料将是未来MOF膜的发展方向。     

溶剂化效应对金属-有机骨架材料界面微环境催化性能的影响

金属-有机骨架材料（metal-organic frameworks,MOFs）的纳微结构可根据特定需求进行功能化调控,有望成为良好的工业催化材料。由于溶剂环境可对其界面微环境及催化性能产生较大影响,因此研究溶剂化效应对于MOF材料的影响具有重要的意义。以Cu-BTC和MOP-15两种典型MOF材料作为研究对象,采用密度泛函理论与COSMO溶剂模型相结合的方法,考察了溶剂效应对材料几何结构与电子稳定性的影响,并研究了不同溶剂对其Lewis酸性的影响。结果表明,溶剂环境可以使材料中的电子从不饱和配位金属处转移到有机配体上,进而使材料具有更强的Lewis酸性,并且电负性较大有机配体构成的MOF材料,受溶剂效应的影响更加显著。本工作将有助于深入理解溶剂化对调控MOF材料液相催化活性的影响。     

含开放金属位点MIL-101(Cr)掺杂的混合基质膜制备及其CO2分离性能

以结构中含有开放金属位点的MIL-101（Cr）作为填料与3种不同的聚合物复合制备了混合基质膜,从填料结构、聚合物性质及填料-聚合物界面状况等角度对混合基质膜的CO₂分离性能进行了分析。结果表明,由于MIL-101（Cr）较大的孔道尺寸以及结构中开放金属Cr（Ⅲ）位点与CO₂分子间的Lewis酸碱作用,其掺杂能够同时显著提高PSF膜的CO₂通量及分离因子。而当聚合物渗透性及选择性较高时,MIL-101（Cr）的掺杂仅提高了气体通量,CO₂分离因子则略有降低。当聚合物分子链柔性较大时,MIL-101（Cr）的表面孔道会被分子链堵塞,造成混合基质膜气体通量的显著下降。