功能化多孔氮化碳材料对铀的吸附性能研究

从海水和废水中分离和富集铀对能源的可持续发展和保护环境具有重要意义。通过一步碱化和热缩聚三聚氰胺制备了一种富含氰基和羟基的多孔氮化碳吸附剂(d-g-CN),研究其对铀的吸附性能。吸附实验结果表明,在pH=6.0和298 K的条件下,d-g-CN对铀的吸附在3 h达到吸附平衡,饱和吸附容量为2476.23 mg∙g^(-1)。吸附过程符合拟二级动力学模型和Freundlich等温模型。此外,d-g-CN具有优异的选择性和循环性,在溶液中存在多种竞争离子时,d-g-CN对铀的吸附分配系数达到1.48×10^(4)ml∙g^(-1),并且6次循环后吸附效率仍保持在89.5%。由于d-g-CN较大的比表面积提供了更多的吸附位点,同时氰基和羟基等功能基团与铀存在配位作用,因此d-g-CN表现出优异的吸附性能,在低浓度铀的提取方面具有一定的应用潜力。

以化工本质安全为核心的化工安全工程专业建设

化工安全关系着我国支柱产业的发展,但目前国内化工安全复合型人才严重不足,这制约了化工产业的高质量发展。南京工业大学化工安全工程专业建设了以化工本质安全为特色的本科人才培养体系,以本学院原有国家级一流本科专业建设点为基础,构建了融合课程链、人才链和产业链的特色人才培养体系,在课程教学和实习实践中融入化工本质安全理念,培养科研、技术和管理方面的化工安全复合型高级人才,为我国化工及相关过程工业升级提供人才支撑。

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。

新型介孔碳-氧化钛纳米复合材料的制备及协同效应

以介孔氧化钛MTiO2为钛源,葡萄糖为碳源,在500℃的N2保护下合成新型介孔碳-氧化钛纳米复合材料(CMT)。采用X射线衍射、热重和低温N2物理吸附方法对CMT的结构进行表征,同时以甲基橙为目标污染物评价CMT的吸附性能和光催化降解性能。结果表明:随着碳含量的增加,CMT的吸附性增强,但过量的碳会使CMT的光催化性能下降。当碳含量为2%时,纳米复合材料(003CMT)呈现高结晶度的锐钛晶型,生成的碳分散在MTiO2内、外壁面,比表面积为69.8m2/g,孔容为0.22cm3/g,孔径为9.69nm;紫外光催化降解能力超过原有的MTiO2的,说明通过调整碳含量可以让CMT发挥碳的吸附和介孔TiO2光催化的协同效应,提高其光催化性能。

无定形碳的逆向蒙特卡洛法建模

作为一种很有前景的建模方法,逆向蒙特卡洛法(reverse Monte Carlo简称RMC法)在无定形碳结构研究中得到了广泛应用。本文阐述了RMC法对于无定形碳材料结构识别的意义,简介了该法的基本原理,综述了在使用RMC法建立无定形碳结构模型时的两大难点,即模拟结构的真实性问题和大尺寸孔网络的建模问题的改进方法和发展趋势。几何约束和能量约束的使用,提高了模拟结构的真实性;具有介孔的多孔碳模型的建立,将成为今后研究的热点。

介孔TiO_2的水热法制备及其光催化性能

以二钛酸钾(K2Ti2O5)经离子交换得到的无定形水合二钛酸(H2Ti2O5·xH2O)为原料,与葡萄糖溶液在220℃下进行水热反应,再在空气中520℃焙烧,制备出介孔TiO2.用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、N2吸附、透射电子显微镜(TEM)等技术对样品进行了表征.结果表明,该介孔TiO2具有微米级棒状或针状形貌,晶粒大小为12.3nm,比表面积为106m2·g-1,孔容为0.31cm3·g-1,孔径为8.06nm,焙烧处理后晶型仍是锐钛矿相.水热生成的碳抑制了晶粒的团聚生长和晶型的转变,提高了介孔TiO2的热稳定性.甲基橙降解实验评价了介孔TiO2的光催化性能,结果发现其活性与商用TiO2催化剂P25相当,而其较大的粒径更容易回收再利用.以碘化钾为探针反应,表明介孔TiO2的光催化机制以光生空穴氧化为主.

化工新视野下中国生物甲烷跨越式发展策略

生物甲烷作为战略资源和可再生能源已在德国和瑞典等发达国家得到快速发展,我国尚处于起步阶段。目前,对生物甲烷物质高效转化和能量有效利用机制缺乏深入了解仍然是制约其大规模应用的瓶颈。本文从化学工程前沿理论出发,分析生物甲烷高效转化存在的关键科学问题,认为基于中国国情的生物甲烷工业,可以在化工界面传递新理论、纳微尺度新材料和系统优化方法介入下,获得物质转化和能量利用方面的突破,实现生物甲烷产业的跨越式发展。

受限于纳米碳管中的乙醇分子的结构和扩散的分子模拟研究

利用分子模拟研究了常温常压下受限于(8,8)(管径1.081nm)和(15,15)(管径2.035nm)单壁纳米碳管中的乙醇分子.对受限分子的径向密度分布和氢键等静态性质以及扩散性质进行了分析.结果显示在管内乙醇分子的平均氢键数目和主体相一致.乙醇分子在(8,8)碳管内具有高度有序的结构,而在(15,15)碳管内由于空间的增大导致结构有序度的降低,其中分子取向已呈随机分布.进一步对扩散系数的分析发现,在管内乙醇分子的轴向扩散系数低于主体相,特别在(8,8)碳管内乙醇分子几乎丧失了轴向扩散能力.

Pt改性的高结晶度TiO_2晶须的光催化性能

以二钛酸钾(K2Ti2O5)为前驱体,通过离子交换和800°C焙烧制备了TiO2晶须(TiO2(800°C)),并采用乙二醇胶体法,在TiO2(800°C)样品上负载1%Pt纳米颗粒制成了Pt/TiO2(800°C)催化剂.采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、X荧光光谱和低温N2吸附-脱附等技术对催化剂进行了表征,并考察了该催化剂光催化降解苯酚活性及稳定性.结果表明,TiO2(800°C)样品为结晶度较高的纯锐钛矿TiO2,载Pt后催化活性提高到原来的2.3倍,具有很高的单位比表面积活性.催化剂经10次重复使用后,Pt流失量仅为6%,活性为新鲜催化剂的91%.而低结晶度的纯锐钛矿或混晶的TiO2负载Pt催化剂的活性和稳定性均不及Pt/TiO2(800°C).

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。

二氧化钛材料微观结构与应用性能的联系

二氧化钛是一种具有良好热稳定性和化学稳定性的金属氧化物材料,可用作光催化剂、光电材料、催化剂载体、复合材料中的填充剂或惰性组分等。然而二氧化钛材料在工业应用中常存在难题,实验表征手段又不能够很好地认识这些困难背后隐藏的分子相互作用的机理。分子模拟技术有助于在分子尺度了解二氧化钛材料的微观结构对其性质的影响。本文在总结已有工作的同时从二氧化钛材料润湿性、催化反应活性、受限条件特殊性质3个方面入手介绍了利用分子模拟手段研究二氧化钛表观性质与微观结构间的联系。

分子模拟在化学工程中的应用

总结了不同尺度分子模拟技术在化工中的发展现状,利用量化计算的方法,可以研究纳微尺度表界面的活性及其对催化反应的影响。采用分子动力学模拟可很方便地研究受限条件下流体行为,采用粗粒化模拟技术可研究介观结构。最后介绍了反应力场模拟这种涵盖反应和传递的模拟新方法。随着模拟理论和并行技术的进步,分子模拟的定量化程度越来越高,必将与化工应用的实验结果越来越有可比性,从而在化工生产和实践中担当更重要的角色。

纳米受限下溶质水化结构的分子模拟(英文)

利用分子动力学模拟研究了五种不同种类的溶质分子(K+,Mg2+,Cl-,K-和K0)在直径为0.60-1.28 nm的纳米碳管内的水化结构.模拟结果揭示了单电荷溶质、双电荷溶质和中性溶质在受限条件下具有不同的水化行为.单价溶质的配位数只有在直径不大于0.73 nm的纳米碳管内才会明显减少.和带有电荷的溶质不同,中性溶质的配位数对纳米碳管直径的改变非常敏感,并且随着管径的减小而迅速减少.模拟结果还表明带单价正电荷的溶质(K+)第一配位层水分子的取向结构会随着纳米碳管直径的改变发生变化,而其他溶质配位层取向结构在本文所涉及的纳米碳管内都几乎和体相中一致.在直径大于1.0 nm的纳米碳管中,K+的配位层取向结构有序度随着管径的减小而单调下降,但是在直径小于1.0 nm的纳米碳管中,随着碳管管径的减小而迅速上升.在两个最窄的纳米碳管内,其结构有序度甚至高于体相.双电荷溶质的水化结构在本文所研究的碳管直径范围内和体相完全一致,即使在直径只有0.6 nm的碳管内也无任何改变.

介孔TiO2晶须及其担载RuO2的电容性能

烧结法制备的介孔TiO2晶须具有高结晶度,孔径可控,并且制备成本低,可以大规模生产。如能将该材料用于电化学电容器电极材料,则可以降低成本、提高电容器性能。采用孔径分布在10nm左右的介孔TiO2晶须及其担载氧化钌的材料制备了电极,循环伏安法分析表明该材料在中性的0.1mol.L-1的Na2SO4溶液中即具有典型的电容行为,并且在较宽的扫描范围表现出一定的电容特性;介孔TiO2晶须担载RuO2后,其电容性能优异,比电容达到940.4F.g-1(以RuO2质量计),有可能作为电化学电容器的低成本大规模生产的电极材料。

K_2Ti_4O_9制备TiO_2-B纤维快速嵌锂负极材料

以四钛酸钾(K2Ti4O9)经离子交换得到的四钛酸(H2Ti4O9.xH2O)为前驱体,经过不同温度热处理得到不同结晶度的氧化钛纤维。对样品进行XRD、Raman、FE-SEM及TEM等结构形貌表征,发现600℃烧结可得到纯相、高结晶度的TiO2-B材料。并考察了其作为锂离子电池负极材料的容量、倍率和稳定性。嵌锂性能测试发现,TiO2-B相材料的首放容量可以达到225mA.h.g-1,比相近结构的锐钛矿(anatase)相材料高50mA.h.g-1,即22.5%的容量。与相似结构anatase材料的倍率结果对比发现,TiO2-B纤维倍率性能更高,主要是TiO2-B纤维的开放结构使其锂离子扩散系数达到1.92×10-7 cm2.s-1,是anatase相材料的8倍。1C稳定性测试发现循环80次后容量仍然高于anatase,且最终容量稳定在159mA.h.g-1,比anatase材料的64mA.h.g-1高1.5倍。

冠醚的离子识别功能及在分离中的应用

介绍冠醚的发现、结构以及命名,从生物离子通道对离子的选择性机制出发探讨冠醚对离子的选择性机制,分析了影响冠醚对离子选择性配位过程中的"主-客"体相互作用以及离子溶剂化相互作用,探讨了分子模拟技术在研究冠醚的离子响应机制中的作用和地位,在此基础上总结了冠醚在分离领域的应用。

提高二氧化钛孔道中水分子扩散性的分子模拟

众所周知,二氧化钛(TiO2)材料在光催化材料、生物材料、电化学和工业催化等多个领域表现出优异的性能,因而其在解决能源和环境危机中被寄予厚望。在上述TiO2材料的众多应用中往往都离不开水分子与TiO2材料的接触。TiO2表面结构,特别是水分子在TiO2表面上形成的微结构往往对于TiO2材料的应用起到关键作用。另一方面,大比表面积的TiO2材料表现出性能上的优势,因此制备具有纳米孔道结构的TiO2材料成为研究趋势。结合上述两点,水分子受限于TiO2纳米孔道中的行为成为研究的热点之一。以往的研究结果表明,水分子在TiO2表面具有强吸附作用,而该作用会影响到水分子在TiO2孔道中的流动性。本文意在通过分子模拟的研究,找到提高水分子TiO2孔道中扩散性的方法,并解释流动性增加的原因,为实验研究工作者们提供指导和解释。通过调整多项模拟参数,结果表明对于实验工作更为可靠的方法是用碳层覆盖TiO2的表面。这样可以在不改变原有实验条件的基础上大大提高水分子在TiO2孔道中的扩散性。

介孔TiO2对不同蛋白的选择性固定化性能

通过500℃下焙烧H2Ti2O5制备介孔TiO2-500作为高效液相色谱的固定相填料,测试牛血清蛋白(BSA)、肌红蛋白(myoglobin)、溶菌酶(lysozyme)在不同pH环境下的停留时间分布,结果表明,在pH=4.7,三种蛋白质几乎都固定化,在pH=7.4和11条件下,三种蛋白通过色谱柱的停留时间为溶菌酶>肌红蛋白>牛血清蛋白。三种蛋白在介孔TiO2-500表面的宏观常压吸附量的结果与色谱结果相一致,介孔TiO2-500对于三种蛋白的固定化能力为溶菌酶>肌红蛋白>牛血清蛋白。因此,该介孔TiO2对不同蛋白的显著的固定化性能的差异使其在蛋白质的吸附和分离、固定化酶等领域有着潜在的应用。

从钛酸盐制备介孔锐钛/金红石型双晶TiO_2及其光催化性能

以二钛酸钾(K2Ti2O5)经离子交换得到的二钛酸(H2Ti2O5.xH2O)为原料,与NH4Cl-HCl溶液在150℃进行水热反应,制备出介孔锐钛/金红石型双晶TiO2。通过X线衍射仪(XRD),场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、低温N2吸附-脱附以及紫外拉曼等对试样进行表征,并考察TiO2光催化剂降解甲基橙的活性及其稳定性。结果表明:金红石质量分数为22.6%时的介孔双晶TiO2的活性最高,是商业纳米TiO2(A91)的2.6倍,并与商用TiO2催化剂P25的活性相当。此外,介孔双晶TiO2经10次循环使用后,活性为新鲜催化剂的92%,其具备的微米尺寸形貌更容易回收再利用,具有潜在的工业应用价值。

限域传递机制初探:以限域状态为切入点描述传递阻力

纳米限域空间中分子的传递是新一代化工过程的共性问题。限域空间引入界面润湿性与限域自由度,导致固体-流体受到的非对称相互作用显著,使得流体状态大幅度偏离均一主体相,经典传递理论不再适用。面向限域的传递理论的缺失,已不能满足现代化工发展的需求。本文综述本团队及前沿的限域传递研究工作,并基于统计力学与非平衡热力学方法进行分析,发现前沿研究分别涵盖三个角度:新自由度下分子间相互作用力决定流体反常状态,反常状态描述流体限域传递物性,反常传递物性描述限域传递阻力实现通量描述。针对三个角度,总结出限域传递阻力雏形,并从三个角度对限域热点工作初探分析,以限域状态为起点,将三个角度贯通是发展限域传递模型的方向,进而为现代化工发展基础数据和模型。