我们的化学工程:关于目标尺度微细化的讨论

探讨了化学工程的发展趋势,认为目标尺度不断微细化是化学工程发展的必然趋势。阐述了微结构调控是产品工程的核心内容,而多尺度方法则是联系性能-结构-过程关系的重要途径。说明产品工程是对工业而言的,而多尺度方法则具有学科的内涵,实际上二者之间有相互贯穿相互统一的一面。

电化学法处理香料工业氯化钠有机废盐的研究

为了实现氯化钠有机废盐的资源化利用,以某香料企业的氯化钠有机废盐为研究对象,在单室电化学氧化的基础上提出了一种资源化处理氯化钠废盐的一膜两室电解工艺,在降解废盐有机物的同时获取氢氧化钠。在单室电解槽中探究了废盐中有机物的电化学氧化降解条件和降解途径,研究表明,在电流密度为600 A/m^(2)、反应温度为35℃、初始pH为6的最佳电解条件下,电解8 h后废盐模拟废水化学需氧量(COD)去除率为92.3%,色度去除率为100%,电流效率为32.3%。有机物降解的主要途径为电极产生的活性氯和羟基自由基对有机物的间接氧化。通过调节阳极液pH和进料方式,在相同电解条件下电解8 h,一膜两室工艺阳极COD去除率可达87.2%,阴极氢氧化钠总产量可达11.33 g。该工艺具有反应条件温和、工艺流程简单及无二次污染等特点,可为氯化钠有机废盐的资源化处理提供参考。

化学产品工程再认识

化学产品工程作为化学工程学科的一个新方向或化学工程学科的新范式已提出很多年,但学术界对其学科内涵理解不一。本文对化学产品工程的学科内涵进行了分析和探讨,认为其核心是通过过程和设备对产品的纳微结构和复杂大分子结构进行调控;化学产品工程仍隶属过程工程,是面向高附加值产品、实现产品结构可控、定向、高效制备的过程工程。通过与传统的以满足市场需求和提高生产效率为目标的过程开发和放大的化学工程研究类比,提出了化学产品工程的主要研究内容,并讨论了其研究的方法论问题,以推动相关的基础研究工作。

“化工实验设计与数据处理”全英文课程教学探索与体会

本文对"化工实验设计与数据处理"研究生全英文课程的授课内容、授课对象、授课时间与形式、考核方法、授课效果等做了简要介绍,并以提升课程教学效果为目标,结合笔者近年来的教学体会,在师资队伍建设、因材施教、创新教学方法、改进考核手段及加强课程实用性等方面进行了探讨,提出了根据基础知识水平差异对国内外学生进行针对性施教的教学理念和在课堂教学中讲解应用案例的教学探索新思路。

聚丙烯酸对SiO_(x)/C电极电化学性能的影响

硅基负极在循环过程中由于较大的体积膨胀,容易导致开裂。以羧甲基纤维素(CMC)和丁苯橡胶(SBR)(质量比为1∶1)为基础黏结剂,通过电化学阻抗谱测试、SEM分析和剥离测试,研究添加聚丙烯酸(PAA)对SiO_(x)/C电极电化学性能的影响。添加适量PAA后,电极的电化学稳定性以及电极活性物质与集流体的剥离强度增强,缓解了电极在循环过程中组分的脱落。当CMC、SBR与PAA的质量比为1∶1∶1时,SiO_(x)/C电极组装的电池的循环稳定性和倍率性能均得到提升:在0.05~1.50 V充放电,与采用基础黏结剂相比,添加PAA后的电池,以0.2 C循环100次的容量保持率由67.10%提高到80.92%;2.0 C和3.0 C比容量分别提高48.17%和59.70%。

氮掺杂碳包覆rGO-纳米硅的制备及电化学性能

通过静电自组装法,将自带负电的石墨烯与用正电荷修饰过的纳米硅进行自组装,再利用多巴胺的黏接特性对复合材料进行氮掺杂碳包覆得到复合材料Si/rGO@CN.通过改变多巴胺的浓度和聚合时间,研究了不同厚度的氮掺杂碳层对复合材料电化学性能的影响.结果显示,当氮掺杂碳的含量(质量分数)为23.6%时,复合材料表现出优异的电化学性能.在0.2 A/g电流密度下循环200次后容量为943.4 mA·h/g;在1.0 A/g电流密度下的长循环性能测试中,发现其经300次循环后容量仍然保持在753.8 mA·h/g.氮掺杂碳层的均匀连续包覆不仅可以避免硅与电解液的直接接触,还可以缓冲硅纳米材料在脱嵌锂时产生的体积膨胀,维持材料结构的稳定性,而石墨烯的存在提高了复合材料的导电性.

石墨烯基介孔锰铈氧化物催化剂:制备和低温催化还原NO

锰铈氧化物由于较强的氧化还原活性、优良的低温脱硝性能,已被广泛用于选择性催化还原(SCR)脱硝反应,但是锰铈氧化物存在活性组分易团聚、比表面积较低等问题,限制其催化剂活性的提高。本研究以介孔结构的石墨烯基SiO_(2)(G@SiO_(2))纳米材料为模板,采用水热法制备了系列石墨烯基介孔锰铈氧化物(G@MnO_(x)-CeO_(2))催化剂,并考察了该催化剂在低温下(100~300℃)的SCR脱硝性能。结果表明,与石墨烯基铈氧化物(G@CeO_(2))相比,G@MnO_(x)-CeO_(2)催化剂具有较高脱硝活性。当Mn、Ce与模板G@SiO_(2)质量比分别为0.35、0.90时,G@Mn(0.35)Ce(0.9)催化剂的脱硝活性最佳,220℃下NO转化率达到最高(80%)。添加适量MnO_(x),提高了G@MnO_(x)-CeO_(2)催化剂的比表面积、孔容,降低了催化剂的结晶度;并且MnO_(x)-CeO_(2)以纳米尺度(2~3 nm)较为均匀地分散于石墨烯片层表面。此外,由于MnO_(x)与CeO_(2)之间存在协同作用,Mn原子可以部分替代Ce原子掺杂于CeO_(2)的晶体结构中形成MnO_(x)-CeO_(2)固溶体,使G@Mn(0.35)Ce(0.9)催化剂表面存在较高含量的高价态Mn^(3+)和Mn^(4+)、Ce^(4+)以及较高的化学吸附氧浓度,从而展现出较高的脱硝性能。该工作为MnO_(x)-CeO_(2)基催化剂在低温NH3-SCR中的实际应用提供了基础数据。

聚丙烯腈复合纳米纤维膜的制备及其对金属离子的吸附性能

以羧基化聚丙烯腈(CPAN)为原料,通过复合改性和接枝改性的方式,制备β-环糊精(β-CD)/CPAN-g-聚乙烯亚胺(PEI)复合纳米纤维膜,为体系引入亲水的β-CD和吸附性能优异的PEI。通过红外光谱仪、X射线衍射仪、万能材料试验机、场发射扫描电镜等仪器对复合纳米纤维膜进行结构及性能表征,使用等离子体发射光谱仪、X射线光电子能谱仪探究复合纳米纤维膜对Cd^(2+)和Pb^(2+)的吸附性能及吸附机理。结果表明:改性得到的β-CD/CPAN-g-PEI复合纳米纤维膜具有优异的吸附性能,同时保留了纤维膜原有的力学性能,其对Cd^(2+)和Pb^(2+)的最大吸附量分别为176.67 mg/g和240.83 mg/g,吸附过程符合拟二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型,且循环使用5次后仍保持80%以上的吸附性能。

超临界二氧化碳介质中晶圆清洗与选择性刻蚀研究进展

随着集成电路特征尺寸的逐渐减小,器件结构会要求更高的纵横比,常规湿法清洗由于表面张力很难进入晶圆深沟槽结构内部,不能满足更细线条工艺要求和高深宽比结构,直接影响沟槽内的污染物去除效果;常规湿法刻蚀各向异性差、结构坍塌严重、深沟槽刻蚀效果不明显;而等离子体干法刻蚀则存在刻蚀速率慢、光刻胶脱落和黏附、结构损伤、废气处理等一系列问题。超临界清洗和刻蚀技术是最具有前景的环境友好、无损伤技术,能够耦合刻蚀、清洗与干燥工艺为一体,且可以循环使用,安全环保,是晶圆制造过程中常规清洗和刻蚀的首选替代技术。综述了超临界二氧化碳中晶圆清洗与选择性刻蚀的研究进展,重点介绍了超临界二氧化碳共溶剂、微乳液体系在光刻胶剥离以及含硅基底选择性蚀刻中的应用,展望了超临界二氧化碳晶圆清洗和刻蚀存在的问题和发展趋势。

聚酰亚胺辅助制备高定向石墨烯基全炭泡沫及其在导热聚合物复合材料中的应用

石墨烯及其衍生物具有高纵横比的二维层状结构,在加工过程中通常倾向于水平排列。因此,石墨烯基复合热界面材料虽然具有较高的面内热导率,但其表现出的低面外热导率难以满足实际应用需求。本文通过定向冷冻策略制备了竖直排列的聚酰亚胺/石墨纳米片(PG)导热骨架以提高聚合物复合材料的面外热导率,其中石墨纳米片(GNs)为高导热石墨烯薄膜的粉体边角料。在该过程中,采用水溶性聚酰胺盐溶液直接分散疏水的GNs,热亚胺化后获得的聚酰亚胺在辅助GNs定向排列的同时经石墨化处理转变为人造石墨。同时,GNs的引入提高了PG骨架的有序度和密度,进一步提高了聚二甲基硅氧烷(PDMS)基复合材料的强度和导热性能。结果表明,所制备的PDMS/PG复合材料(PG:21.1%)的面外热导率达14.56 W·m^(−1)·K^(−1),是纯PDMS的81倍。这种简便的聚酰亚胺辅助二维疏水填料定向排列的方法为各向异性热界面材料的规模制备提供了思路,同时实现了石墨烯薄膜边角料的再利用。

直接法合成棕榈酰基甲基牛磺酸钠的催化剂筛选和反应动力学

N-酰基氨基酸型表面活性剂具有优良的表面活性、安全性和生物降解性,广泛应用于日化、医药和食品等领域。以棕榈酸和N-甲基牛磺酸钠为原料经直接法合成棕榈酰基甲基牛磺酸钠,对比分析了金属氧化物、金属氯化物和硼酸系催化剂对棕榈酰基甲基牛磺酸钠合成反应的影响,筛选出适宜的催化剂,并进行反应动力学研究。结果表明,2-氯苯硼酸可有效催化棕榈酰基甲基牛磺酸钠的合成反应,当2-氯苯硼酸质量为棕榈酸质量的4%时,棕榈酰基甲基牛磺酸钠的收率达到97.5%,选择性达到98.4%。在棕榈酸过量的情况下,反应活化能为68.0 kJ/mol,指前因子为1.6×10^(10 )h^(−1)。

制备条件对乙烯焦油调制包覆沥青性质的影响

以乙烯焦油为原料,采用空气氧化法制得锂离子电池石墨类负极材料用包覆沥青。考察了氧化温度、空气流量和氧化时间对包覆沥青物化性质的影响,并采用元素分析、热重分析、傅里叶变换红外光谱和核磁共振等方法对包覆沥青的物化性质进行了表征。结果表明,提高氧化温度、增大空气流量和延长氧化时间均能提高所制包覆沥青的结焦值和软化点。在氧化温度、空气流量和氧化时间分别为310℃、120 L/h和10 h的最佳制备条件下,可制得具有较高碳含量(w=93.44%)、较高芳香度和较少侧链(以短链为主)的高品质包覆沥青,其软化点、结焦值、喹啉不溶物质量分数和收率分别为258.90℃、70.19%、0.97%和39.99%。改性后石墨负极材料在150次循环后的容量保持率为89.74%。

铜催化草酸二甲酯加氢副产物1,2-丙二醇生成机理的DFT研究

利用密度泛函理论对Cu(111)及Cu_(2)O(111)表面上草酸二甲酯加氢副产物1,2-丙二醇(1,2-PDO)的生成机理进行了探究,计算了两种表面上1,2-PDO生成的不同反应路径基元步骤的热力学数据以及所涉及物种的吸附行为,进行了局域态密度以及差分电荷密度分析,阐明了铜催化剂的主要活性位点及1,2-PDO生成的主要路径。结果表明,1,2-PDO主要由乙二醇和甲醇于Cu_(2)O(111)表面通过Guerbet醇缩合反应生成,具体包括醇脱氢、羟醛缩合以及不饱和醛加氢三个过程。Cu_(2)O(111)表面Cu_(us)^(+)及O_(suf)^(-)位点形成的Lewis酸碱对能够促进反应物、产物及反应中间体的吸附且对于1,2-PDO生成过程的整体催化活性更高。Cu_(2)O(111)表面的O_(suf)^(-)位点是醇类脱氢生成醛、羟醛缩合过程中生成烯醇物种以及不饱和醛类中间体加氢的主要活性中心,而C-C偶联反应则发生在Cu_(us)^(+)金属位点上。论文研究结果可为铜催化剂设计和改性以及草酸酯加氢工艺的优化提供理论指导。

新型欧姆加热式反应器强化甲烷蒸汽重整的过程分析和优化

传统甲烷蒸汽重整(SMR)反应器(cSMR反应器)中容易出现较大的径向温度梯度,增加了催化剂积炭失活的风险。提出了一种新型的含内外管欧姆加热蒸汽重整固定床反应器(eSMR反应器),以欧姆加热替代了传统工业反应器的燃烧供热方式。通过二维拟均相固定床反应器模拟,比较了eSMR与cSMR反应器的性能差异,分析了eSMR反应器结构及操作条件对其性能的影响。结果表明,相比于cSMR,eSMR反应器出口的平均甲烷转化率和平均温度分别高出26.6%和121 K,且径向温度分布更加均匀;eSMR反应器的内外管直径之比为0.589时,其径向温度梯度最小;增加入口温度、加热电压和水碳比均会提高eSMR反应器出口的平均甲烷转化率和平均温度,增加入口压力的影响相反。本研究可为欧姆加热蒸汽重整反应器的开发提供一定的借鉴。

由乙烯焦油制备锂离子电池负极材料用碳质前驱体的氧化反应机理与反应动力学

为了得到优质的碳质前驱体,研究了乙烯焦油在空气中的氧化反应机理及其反应动力学,并制备出高软化点沥青应用于锂离子电池负极石墨材料的包覆改性。根据热重曲线将乙烯焦油的氧化过程分成350−550、550−700和700−900 K三个阶段,并采用质谱和红外技术对不同反应温度下的尾气成份进行在线分析以揭示乙烯焦油在空气中的氧化反应机理。根据不同反应温度下乙烯焦油与氧气的热失重曲线,整个反应过程被分为4个阶段,进一步利用Coats-Redfern等转化率法分析17种常用反应动力学模型与实验数据的拟合度,筛选出最适宜表达乙烯焦油与氧气的反应动力学模型。结果表明:(1)在乙烯焦油的氧化过程中,芳香化合物的支链先与氧气反应生成醇类、醛类小分子化合物和含有过氧自由基的芳香化合物,然后含有过氧自由基的芳香化合物进行热缩聚反应形成分子量更大的芳香族化合物;(2)可采用四级反应模型描述乙烯焦油的前3阶段反应动力学,活化能分别为47.33、18.69和9.00 kJ·mol^(−1);可采用三维扩散模型描述第4阶段的反应动力学,其活化能为88.37 kJ·mol^(−1)。(3)经所制沥青包覆改性后,石墨负极循环300圈后的容量保持率由51.54%增长为79.07%。

离子液体催化CO_(2)与环氧丙烷合成碳酸丙烯酯反应动力学研究

利用自制烷基功能化催化剂催化环氧丙烷(PO)与CO_(2)环加成生成碳酸丙烯酯(PC),对催化剂用量,反应温度,反应压力及反应时间进行优化,推导了该催化剂催化PC合成的反应机理并建立了动力学方程,讨论了不同温度下PO转化率和PC生成速率随时间变化的规律。实验结果表明,当催化剂用量为0.8%(w)、反应温度140℃、反应压力4.0 MPa、反应时间2.0 h时,PO转化率可达99.61%,PC收率达99.25%。PC合成反应速率与PO的浓度呈线性关系,并遵循一级反应动力学规律。

电子级多晶硅原料中痕量硼磷杂质的脱除研究进展

三氯氢硅和氢气中痕量硼磷杂质的含量是影响多晶硅品质的主要因素。提高硼磷杂质的脱除效率有利于电子级多晶硅的大规模生产,实现我国能源信息产业升级。综述了三氯氢硅和氢气中硼磷杂质脱除方法的研究进展,重点介绍了各类提纯方法的特点。其中,反应-吸附-精馏耦合技术集合了精馏法和化学提纯法的优点,是三氯氢硅精制过程中最具有发展前景的方法;吸附法凭借其负载的活性物质对硼磷杂质的高选择性,成为氢气精制最常使用的工艺。最后,系统探讨了吸附剂结构特点及与吸附性能的构效关系,在此基础上总结并展望了多晶硅原料中硼磷杂质脱除面临的挑战和发展方向。

煤基活性炭电极材料的制备及电化学性能

以太西无烟煤为原料、KOH为活化剂制备高比表面积的活性炭.采用N2吸附法对活性炭的比表面积、孔容和孔径分布进行了表征,并评价了其用作超级电容器电极材料的电化学特性.在碱炭比为4∶1,800℃条件下活化1 h制备的活性炭比表面积达3059 m2/g,总孔容为1.66 cm3/g,中孔率63%.该活性炭在3 mol/L KOH电解液中的比电容为322 F/g,大电流密度下充放电时的比电容保持率高,漏电流仅有0.06 mA,是理想的超级电容器电极材料.

苯在Ru-Zn/ZrO_2表面部分加氢反应的理论和实验研究

采用理论计算和实验方法研究了Ru-Zn/ZrO2催化剂上苯的部分加氢反应.在还原阶段于水相中引入Zn2+可使部分Zn以原子态进入Ru基催化剂.理论计算表明,Zn原子在Ru基催化剂中的存在同时抑制了苯和环己烯在催化剂表面的化学吸附,尤其是环己烯在整个催化剂表面的吸附处于一定钝化状态,这是环己烯选择性提高的重要原因.实验结果表明,Zn原子在催化剂中浓度的增加使得催化剂的加氢活性单调下降,而环己烯选择性则单调上升.实验和理论计算都证实了Ru基催化剂中最佳Zn含量的存在.