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。     

CO2-H2O和CO2-H2O-NaCl 体系的相平衡研究进展

To study the feasibility of CO2 geological sequestration,it is needed to understand the complicated mul- tiple-phase equilibrium and the densities of aqueous solution with CO2 and multi-ions under wide geological condi- tions（273.15—473.15K,0—60MPa）,which are also essential for designing separation equipments in chemical or oil-related industries.For this purpose,studies on the relevant phase equilibria and densities are reviewed and analyzed and the method to improve or modify the existing model is suggested in order to obtain more reliable predictions in a wide temperature and pressure range.Besides,three different models（the electrolyte non random two-liquid（ELECNRTL）,the electrolyte NRTL combining with Helgeson model（ENRTL-HG）,Pitzer activity coefficient model combining with Helgeson model（PITZ-HG））are used to calculate the vapor-liquid phase equilib- rium of CO2-H2O and CO2-H2O-NaCl systems.For CO2-H2O system,the calculation results agree with the experimental data very well at low and medium pressure（0—20MPa）,but there are great discrepancies above 20MPa.For the water content at 473.15K,the calculated results agree with the experimental data quite well.For the CO2-H2O-NaCl system,the PITZ-HG model show better results than ELECNRTL and ENRTL-HG models at the NaCl concentration of 0.52mol·L ^-1 .Bur for the NaCl concentration of 3.997mol·L ^-1 ,using the ELECNRTL and ENRTL-HG models gives better results than using the PITZ-HG model.It is shown that available experimental data and the thermodynamic calculations can satisfy the needs of the calculation of the sequestration capacity in the temperature and pressure range for disposal of CO2 in deep saline aquifers.More experimental data and more accurate thermodynamic calculations are needed in high temperature and pressure ranges（above 398.15K and 31.5MPa）.     

不同管径碳纳米管中CO_2/CH_4分离的分子模拟

生物甲烷路线在CO2减排和节能方面有很大的应用前景。而对生物沼气的分离是此路线的一个关键问题,特别是在60℃和0.1 MPa下。巨正则Monte Carlo(GCMC)和平衡分子动力学(EMD)的分子模拟方法研究CO2和CH4在不同管径的碳纳米管(CNT)中的吸附和扩散,可以从分子层面研究生物沼气的分离机理。分别计算了CO2/CH4二元混合物吸附量、吸附选择性、自扩散系数和渗透选择性等参数。模拟结果表明:由于碳管的受限空间和CO2与碳纳米管壁面分子之间强相互作用,导致二元等物质的量的混合物CO2/CH4的吸附量和扩散系数的差异。CO2的吸附量和自扩散系数都比CH4的大。渗透选择性在碳管管径达到最接近1 nm时达到最大值,此时混合物的分离过程是吸附控制,而非扩散控制。     

烷烃在分子筛孔中吸附和扩散的分子模拟

用巨正则系综蒙特卡罗(grand canonical monte carlo,GCMC)和构型偏倚蒙特卡罗(configurational-bias monte carlo,CB- MC)相结合的模拟方法,研究300 K下,烷烃(甲烷、乙烷、丙烷、丁烷)在ISV、MEL型分子筛上的吸附,饱和吸附量的大小顺序为:甲烷>乙烷>丙烷>丁烷。模拟甲烷-乙烷、乙烷-丙烷混合物在分子筛(ISV、MOR、MEL型)中的吸附分离,结果甲烷-丙烷比乙烷-丙烷混合物更易分离。采用分子动力学(molecular dynamics,MD)模拟方法,研究甲烷在MEL、MOR分子筛上的扩散系数,分别为2.76-3.86 m~2·s~(-1)、3.14-13.30 m~2·s~(-1),烷烃在分子筛中的扩散与吸附相关,且扩散系数的大小与分子筛的结构有关。模拟所得的有关吸附扩散性质的数据对于化工生产、研发和设计具有指导意义。     

蛋白质分子与固体表面相互作用的分子模拟

蛋白质分子和固体表面的相互作用在与生物有关的材料以及工程领域有着重要的影响.两者相互作用的复杂性使得单纯依靠实验无法得到完整的信息.利用分子模拟，从分子尺度上对蛋白质和固体表面的相互作用进行研究，有助于更清楚地了解决定蛋白质在固体表面行为的原因.本文综述了蛋白质与固体表面相互作用的分子模拟研究，主要介绍有关蛋白质模型的选择、表面对蛋白质吸附能力的机理以及蛋白质在吸附表面的取向和构型变化的研究现状和成果.     

原位合成的介孔TiO2-B/锐钛微粒:改善的锂离子电池阳极材料（英文）

Mesoporous TiO2-B/anatase microparticles have been in-situ synthesized from K2Ti2O5 without template. The TiO2-B phase around the particle surface accelerates the diffusion of charges through the interface, while the anatase phase in the core maintains the capacity stability. The heterojunction interface between the main polymorph of anatase and the trace of TiO2-B exhibits promising lithium ion battery performance. This trace of 5%(by mass) TiO2-B determined by Raman spectra brings the first discharge capacity of this material to 247 mA·h·g?1, giving 20%improvement com-pared to the anatase counterpart. Stability testing at 1 C reveals that the capacity maintains at 171 mA·h·g?1, which is better than 162 mA·h·g?1 for single phase anatase or 159 mA·h·g?1 for TiO2-B. The mesoporous TiO2-B/anatase microparticles also show superior rate performance with 100 mA·h·g?1 at 40 C, increased by nearly 25%as compared to pure anatase. This opens a possibility of a general design route, which can be applied to other metal oxide electrode materials for rechargeable batteries and supercapacitors.     

水化在18-冠醚-6对K+和Na+选择过程中作用的理论研究

A combination of molecular dynamics (MD) and density functional theory (DFT) calculations were used to study the hydration structures of K+ and Na+ ions under the confinement of 18-crown-6 in order to identify the role of water in the selectivity of 18-crown-6 towards K+. The radial distribution functions, coordination numbers, orientation structures and interaction energies were analyzed to investigate the hydration of K+ and Na+ in 18-crown-6/cation complexes. All calculations of K+ and Na+ in bulk water were also conducted for comparison. The simulation results show that the orientation distributions of the water molecules in the first coordination shell of K+ are more sensitive to the confinement of 18-crown-6 than those of Na+. It is more favorable to confine a K+ in 18-crown-6 than a Na+ in terms of interaction energy. Good agreement is obtained between MD results and DFT results.     

介孔TiO2固定化葡萄糖氧化酶的直接电化学性能

采用非模板软化学法制备了一种孔径均一的介孔TiO₂材料（m-TiO₂）。XRD测试结果表明其晶型为锐钛矿,且结晶度高,通过N₂吸-脱附曲线可看出存在规整的介孔结构且具有高比表面,从FESEM和TEM可以看出制备的m-TiO₂由许多纳米粒子构成微米级大颗粒,且存在均匀分布的介孔。将此种TiO₂材料固定化葡萄糖氧化酶（GOx）后,通过红外光谱（FT-IR）分析可知m-TiO₂材料可以有效固定化GOx。将m-TiO₂作为固定化材料固定化GOx制备成Nafion/GOx/m-TiO₂/GC电极并进行相关电化学测试,测试结果表明m-TiO₂作为固定化材料固定化GOx后具有良好的催化活性,在无电子媒介体存在下能够实现反应电子与电极表面的直接电子传递,检测线性范围为0.1～1.2 mmol·L^-1葡萄糖,灵敏度为3.44μA·mmol^-1·L·cm^-2,在葡萄糖传感领域具有良好的应用前景。     

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。     

不同管径碳纳米管中CO2/CH4分离的分子模拟

生物甲烷路线在CO₂减排和节能方面有很大的应用前景。而对生物沼气的分离是此路线的一个关键问题,特别是在60℃和0.1 MPa下。巨正则Monte Carlo（GCMC）和平衡分子动力学（EMD）的分子模拟方法研究CO₂和CH₄在不同管径的碳纳米管（CNT）中的吸附和扩散,可以从分子层面研究生物沼气的分离机理。分别计算了CO₂/CH₄二元混合物吸附量、吸附选择性、自扩散系数和渗透选择性等参数。模拟结果表明：由于碳管的受限空间和CO₂与碳纳米管壁面分子之间强相互作用,导致二元等物质的量的混合物CO₂/CH₄的吸附量和扩散系数的差异。CO₂的吸附量和自扩散系数都比CH₄的大。渗透选择性在碳管管径达到最接近1 nm时达到最大值,此时混合物的分离过程是吸附控制,而非扩散控制。