受限界面处流体分子行为的调控及相关分子热力学模型初探:基于高比表面氧化钛的研究进展

纳米受限界面处的流体由于受到界面性质的影响显著,且存在复杂的传递和反应机制耦合问题,其流体分子行为难以调控,成为了现代化工新技术(如膜过程、多相催化)突破的瓶颈。结合了近几年本课题组的相关工作进展,以化学性质稳定的高比表面氧化钛作为研究平台,对界面处流体分子受限行为进行分析,研究了传递和反应机制分别对界面处流体行为的影响,并探索其调控机制;同时对建立的相应分子热力学模型进行了初步探索,通过原子力显微镜技术将界面摩擦性质和分子间相互作用关联,为分子热力学模型提供分子参数。     

材料化学工程科学内涵及方法初探:从介观尺度界面流体行为出发认知材料

作为一门新兴的交叉学科,材料化学工程科学内涵的进一步凝练和方法论的建立显得十分重要和迫切。介观尺度下界面流体的研究对于材料化学工程具有重要意义,材料化学工程的科学内涵在于通过认识介观尺度下界面处流体行为来"认知"材料,以期建立材料结构、性能(应用)与制备(生产)三者之间的关系。其中,弄清介观尺度下复杂作用和复杂结构对界面流体行为的影响,是"认知"材料的关键。分子模拟技术作为单因素遴选介观尺度各影响因素的有效手段,在实际应用中存在两大难点:如何同时获得界面流体反应和传递两个方面的信息;如何实现分子层面认识在材料应用层面的转化。基于此,初步讨论了材料化学工程研究方法的发展趋势。     

固体─超临界流体相平衡的分子热力学模型

从分子热力学基础出发提出一个适用于固体-超临界流体相平衡的理论模型，溶液中溶质的化学位分解为无限稀溶液化学位及溶质浓度效应两部.无限稀溶液化学位由简化的Oz方程计算，其中包括斥力贡献、局部组成及长程引力项浓度对化学位的贡献由作者根据Kirkwood-Buff溶液理论提出的修正Wilson模型计算．用45个二元系862个数据点对此模型进行检验并和PR方程（vdw-2混合规则）计算结果进行比较，本模型的平均绝对误差为11.7％，而PR方程的结果为14.9％，对极性溶剂体系的计算结果有显著改善.用此模型直接推算的萘-Co_2体系萘的偏摩尔焓和文献数据相吻合     

利用二维流体分子热力学模型计算气体混合物在固体界面的吸附等温线

结合流体混合规则,将之前建立的二维变阱宽方阱链流体分子热力学模型（SWCF-VR-2D）扩展至混合流体,并利用模型计算了甲烷/二氧化碳、甲烷/氮气和甲烷/乙烷等气体混合物在不同吸附剂上的吸附等温线。由于混合气体间的相互作用会使得混合气体的吸附不同于单一气体的吸附,通过调节气体与固体壁面间的相互作用参数ε_w以描述这种变化。调节能量参数后模型能满意计算混合气体的吸附等温线,总的平均偏差为5.06%。     

Effect of high temperature reduction in hydrogen on Pt deposited on the TiO2(100) surface: An angle resolved x-ray photoemission study

The effect of high temperature reduction in hydrogen was studied by angle resolved XPS in a system formed of platinum deposited on the (100) surface of a TiO₂ single crystal sample. The analysis of the variation of the Pt/Ti XPS signal ratio as a function of the electron collection angle showed that partially reduced titanium oxide is present on the Pt film after the reduction treatment. The amount of oxide on the Pt surface is of the order of one monolayer equivalent.     

复合材料界面相互作用的分子模拟研究与进展

综述了MD(分子动力学)模拟技术、计算复合材料界面粘接力的MD模型构建与模拟方法,概括了MD在研究复合材料界面相互作用中的研究现状;最后对MD的发展方向进行了展望。     

Effect of precursors on surface and catalytic properties of Fe/TiO2 catalysts

Titania‐supported iron (5 wt%) catalysts were prepared by a sol–gel method using different gelation pH and metal precursors (Fe(II) and Fe(III)). Characterization data of calcined catalysts revealed that, irrespective of the nature of the metal precursor, iron is present in all cases as ferric oxide. However, the crystalline phase exhibited by titania does depend on the metal precursor used. The catalytic activity of the catalysts, tested in the combustion of methane at atmospheric pressure, is not related to the dispersion of iron oxide. Thus, Fe³⁺ ions may be obtained in two extreme situations; one highly dispersed in which Fe³⁺ ions are placed in the titania network and another in which large Fe₂O₃ crystals are located on the surface of the catalyst. The former exhibits the best performance in the combustion of methane. © 2002 Society of Chemical Industry     

Population balance and computational fluid dynamics modelling of ice crystallisation in a scraped surface freezer

Ice crystallisation in a scraped surface freezer is exceedingly complex and there is very limited fundamental understanding of the influences of fluid flow and heat transfer on ice crystal size, number and shape. This paper presents a computer modelling study that combines population balance method and computational fluid dynamics method. Ice crystal nucleation and growth kinetics has been described by discrete population balance equation. Algorithms for solving the coupled equations of fluid flow, heat transfer and discrete population balance of ice crystallisation have been developed and implemented into a commercial code. Demonstrated is a 2-D computer simulation of ice crystallisation in a scraped surface freezer. Although the simulation makes several assumptions including simplified fluid flow conditions, the predicted ice crystal size distribution is comparable to the experimental data. It is shown that with combined computational fluid dynamics and population balance modelling much insight into the interaction of fluid flow, heat transfer and ice crystallisation in the scraped surface freezer can be obtained.     

TiO2、ZnO和TiO2/ZnO三种氧化物粉体材料的抗菌性能对比

氧化物具有化学性质稳定、原材料丰富易得的优点,其作为抗菌材料日益受到关注。对氧化物的抗菌性能及影响因素开展深入研究,能够为新型抗菌材料的开发提供科学依据。通过溶胶-凝胶法制备出了TiO₂/ZnO复合粉体,并将其与TiO₂、ZnO进行对比,分别对它们的晶相结构、微观形貌和粒径进行了表征。利用大肠杆菌ATCC25922作为受试菌株,通过抑菌环试验和菌液接触试验对3种氧化物粉体材料的抗菌性能进行测试。考察了钛锌比、光照等条件对抗菌效果的影响。结果表明,所使用的TiO₂主要由锐钛矿相和金红石相组成,ZnO主要为六方纤锌矿相,制备出的TiO₂/ZnO则主要是锐钛矿型TiO₂在六方纤锌矿型ZnO的孔隙间沉积而成,这3种粉体材料的粒径由大到小分别为TiO₂/ZnO、TiO₂和ZnO。从抑菌环和菌液接触试验的结果可以看出,ZnO粉体材料的抗菌效果明显优于TiO₂粉体材料,ZnO和TiO₂/ZnO在黑暗条件下仍有良好的抗菌性能,但在可见光照射条件下抗菌效果更佳。ZnO含量是TiO₂/ZnO复合材料抗菌性能的关键因素。制备TiO₂/ZnO粉体材料时的煅烧温度对其抗菌性能没有明显影响。     

液相中气泡上升行为与界面传质:实验研究与数值计算

在工业生产过程中，气泡在液相中的上升行为及气液界面的传质行为极为常见。本文针对不同条件下气泡上升过程的实验研究方法以及数值计算方法进行了总结。从实验与数值计算的角度，综述了单气泡上升过程的影响因素、多气泡上升过程聚并与破裂的现象和机理以及工业装置中气液两相流型和气泡特性，并对传质模型进行了归纳，主要关注了气侧-界面传质模型的研究现状。综述结果表明：当前对于单气泡上升行为的研究较为充分，而对于多气泡的行为机理的研究尚需深入。此外，受到研究手段的限制，进行气侧-界面传质模型研究具有一定挑战性。针对当前的相关研究进展和存在的问题，对今后气泡上升行为和传质行为的研究提出以下建议，即开展气泡聚并与破裂可控性研究，强化对气侧-界面传质过程的研究，包括泡内流体行为可视化研究和相关传质模型的建立。     

N-甲基-N-乙酸基吗啉离子液体中纳米二氧化钛的制备及其性能研究

采用微波辅助法,以N-甲基吗啉、氯乙酸为原料,合成了N-甲基-N-乙酸基吗啉离子液体。结果表明,该离子液体常温下密度为1.219 2 g/cm3,能够与多数常见溶剂相溶;电导率随温度的升高而增大,活化能为28.6 kJ/mol;离子液体的粘度在5℃下为460 mPa·s,并随温度升高而减小。将其用于纳米TiO2的制备,XRD表明,制备的纳米TiO2为锐钛型,粒径尺寸为4 nm。纳米TiO2光催化降解甲基橙研究结果表明,当TiO2的浓度为3.0 g/L时,其降解率在5 h内达到97.55%。     

限域传质分离机制初探：界面吸附层的“二次限域”效应

限域传质分离膜主要面向分子/离子水平的高精度分离过程,对解决CO2分离、共沸物分离、盐湖提锂、海水淡化等重大应用需求具有重要意义。然而目前,这类膜的限域传质机制研究滞后,理论模型缺乏,已不能满足材料和化工等学科高速发展的需求。用介科学观点思考限域传质分离膜同时具有高通量和高选择性这一反常现象,即突破Trade-off效应,这是选择性机制与通量机制之间的竞争与协调导致的。纳微固液界面处流体分子在界面处会优先吸附,形成稳定的吸附层,基于此本文提出了"二次限域"的假说,即界面诱导的类固态新界面会对中间流体再次产生限域效应。通过对比限域传质分离膜的孔道尺寸与二次限域尺寸,进一步认知了二次限域的选择性机制,并结合选择性机制与通量模型对膜通量和选择性的定量预测进行了初探,以期为精密构建限域传质膜提供理论基础。