研究方向1:物質結構和轉移現象
研究思路是通過分子模擬和必要的實驗研究，在多尺度範圍內揭示材料結構、性能和制備之間的關系，模擬工藝設計、生產和加工流程，構建材料化學工程的理論基礎。在研究方向的選擇上，研究材料的分子設計，通過模擬和實驗研究，揭示材料的構效關系，達到根據最終產品的性能要求，裁剪和構建材料分子結構的目的；通過研究材料微觀結構的轉移、反應物質與材料的相互作用以及這種相互作用與宏觀環境的關系，描述了微觀結構中的轉移現象，建立了材料功能與微觀結構之間的定量關系。通過研究材料微/細觀尺度存在的基本規律，獲得材料制備和應用過程中微/細觀層次的相結構和演化過程及機理，從而為材料技術的應用提供理論依據，為新材料的制備和應用提供理論依據；利用計算流體力學模擬材料制備和應用中與流體流動相關的各種宏觀現象，為材料制備和應用的工藝過程提供改造設計和創新設計。將開展以下研究工作:
1)材料的分子設計研究
分子模擬、分子組裝等技術用於設計和構建新材料的分子和表面結構，包括微/納米材料、無機/有機聚合物基雜化材料等。，揭示材料的結構與性能之間的關系，為材料的制備和應用提供理論依據。主要包括研究微/納米材料可控制備新技術及相關科學基礎理論，從量子、化學熱力學和結晶動力學角度研究納米材料的形成機理和微結構控制規律，建立材料制備與加工過程、材料形貌與結構、材料應用性能之間的關系；研究微/納米材料的表面改性與構築，即微/納米粒子的表面改性，微/納米粒子與表面改性劑的相互作用，改善微/納米粒子的潤濕性，增強微/納米粒子在介質中的分散性和相容性，特別是具有超親水和超疏水表面的微/納米材料及其功能性生長的功能性微/納米材料；針對有機-無機雜化材料的制備和加工，研究了無機材料的表面改性機理和表面結構控制，以及與有機單體的原位聚合和雜化機理。通過無機材料的表面設計和表面處理，控制無機/聚合物復合材料的界面結構和行為，獲得多種性能優異的多組分多尺度復合材料，從而提高納米雜化復合聚合物的加工性能，探索其特定的光電和其他特定性能。
2)材料界面分子轉移現象的研究。
借助分子模擬技術、密度泛函理論、逾滲理論等。，研究材料微觀結構傳遞和反應中材料與材料之間的相互作用規律，以及這種相互作用規律與宏觀環境的關系，描述微觀結構中的傳遞行為，建立材料功能與微觀結構之間的定量關系，實現針對應用需求設計材料微觀結構的目標。主要包括通過分子模擬從分子水平研究材料的化學工程，如膜科學、介孔材料、燃料電池制氫等。，包括非均質表面上和有限條件下流體的結構和動力學性質，探索微觀傳遞和微觀擴散的機理並建立相應的熱力學模型；研究納米尺度多孔材料的受限行為，包括碳材料(活性炭)、分子篩、多孔矽膠、納米管以及低k和高k多孔微電子介電材料，研究流體物質與固體表面的相互作用，基於分子模擬研究流體混合物在多孔膜中的擴散和滲透，為建立表觀理論模型和設計新型功能材料提供機理指導；將材料科學的理論和方法引入經典傳質理論，建立膜過程的傳質結構模型，建立多孔陶瓷膜分離性能與其微結構的關系模型，建立膜表面濾餅形成的動力學模型，描述膜分離機理，實現面向應用過程的膜材料微結構設計目的。
3)材料的多尺度模擬和耦合研究。
由於材料微觀結構及其演化的時空分布範圍較大，因此需要使用不同尺度的模擬來獲得材料性能的完整表征和正確預測。利用定量計算、分子模擬和介觀模擬的方法，研究材料微/介觀尺度存在的基本規律，揭示材料制備和應用過程中微/介觀層次的相結構和演化過程及機理，獲得材料的宏觀性能，從而為材料技術的應用和新材料的制備和應用提供理論依據。同時對材料制備和應用過程中涉及的各種化學工程宏觀現象進行CFD(計算流體力學)模擬，為材料制備和應用的工藝流程改造或創新設計奠定基礎。主要包括基於分子模擬研究大規模分子在不同溶劑中的相行為和自組裝，在統計力學基礎上建立描述聚合物和表面活性劑相行為的狀態方程，研究溶質的存在對表面活性劑相行為的影響，以及膠束條件下溶質的輸運行為和動力學行為；以CFD技術和各種工程應用的理論模型為研究對象，理論模型的研究內容主要是指除了CFD技術的壹些通用模型之外，可以用於特殊場合的物理、化學和數學模型，如各種反應模型、氣泡流動模型、流化床模型和特殊傳熱模型等。應用研究主要針對無機非金屬材料行業(如水泥回轉窯、碳酸鍶、碳酸鋇、鉻鹽煆燒、磁粉、玻璃、陶瓷窯爐)燃燒系統的優化設計、運行、節能降耗；以及石油化工加熱爐-油氣混燒、重整、催化劑再生的自動控制和優化調節操作。聚合物聚合反應器的聚合速率、粘度特性及反應裝置的優化設計。
研究方向2:材料制備的化學工程方法。
基本的研究思路是用化學工程的理論和方法來指導材料的設計和制備。通過對材料的生產過程進行系統的化學工程研究，同時發展了壹些重要新材料的設計和制備方法，為新材料產業的形成奠定了理論和技術基礎。在研究方向的選擇上，根據國家的重要需求和本實驗室的優勢研究方向，重點發展生物基高分子材料的制備技術，以緩解大宗原料和重要化學品生產對礦石資源的高度依賴；重點發展水泥生產的綠色制備技術，為其循環經濟提供理論基礎；建立了面向應用過程的無機膜材料設計方法。通過對無機膜材料的功能-結構-制備關系的理論研究，揭示宏觀可用性與材料微觀結構之間的定量關系，以及材料微觀結構的形成機理和控制規律，為面向應用過程的陶瓷膜材料的設計和制備建立理論框架。將開展以下研究工作:
1)生物基材料的研究
在國家石油替代戰略目標的指引下，研究以材料為原料的本體高分子基礎原料制備技術，緩解材料行業過度依賴礦石資源的局面。生物化學理論揭示了生物大分子和單體的合成機理、生物大分子的性質和工藝參數控制之間的關系。借助現代化學工程，解決了生物材料制備中的壹些關鍵問題，我國生物基材料制備技術達到國際先進水平。主要包括:生物催化劑的篩選和轉化，用於制備生物材料單體和聚合物的微生物或酶發現的理論和方法學研究，生物催化劑轉化方法學的建立和完善，建立離子束、激光和化學誘變劑的通用誘變技術平臺，可以在更快的時間內為生物材料的制備開發出性能更好、更經濟的微生物菌株。建立合理的分子設計，定向進化改良微生物，在離子束生物技術和分子生物學結合改造微生物中形成特色，在品種庫建設和高通篩選方法上實現突破。圍繞幾種本體聚合物單體的制備，進行了微生物菌種的篩選和轉化，包括聚乳酸單體L-和D-乳酸；被稱為“21，3-丙二醇”，PTT生產的關鍵單體；L-精氨酸、L-丙氨酸和丙酸等L-和D-氨基酸生產菌株的研究。篩選和改造適於制備聚酰胺生物聚合物如聚谷氨酸和聚賴氨酸以及韋蘭膠多糖聚合物的生物催化劑；生物高分子材料的生物催化過程:研究生物轉化產生的單體和聚合物的代謝機理，以生物高分子聚谷氨酸的代謝途徑為研究對象，應用同位素示蹤分析和代謝工程的理論和技術，分析代謝途徑和網絡，闡明生物聚合的關鍵酶和限速步驟。在此基礎上，利用分子生物學手段強化代謝中心流，敲除副產物代謝旁路，使微生物菌株向聚谷氨酸合成方向代謝，從而達到超量生產聚谷氨酸的目的。本文研究了單體和聚合物生物轉化過程中的調控和優化。計劃以丁二酸的高密度發酵為重點，擴大生產的影響因素，探索生物法生產丙酸的技術。研究細胞固定化技術，提高丙酸產生菌的穩定性和催化活性，綜合考慮副產物維生素B12的聯產和回收，使丙酸生產效益最大化，設計反應和分離的耦合裝置，實現丙酸的連續生產；生物高分子材料的催化合成:生物基平臺化合物脫水催化工程應用技術研究。以生物乙烯和生物基丙烯酸為研究體系，探索以生物發酵獲得的生物小分子為原料進行化學脫水以提高反應選擇性和催化劑使用壽命，並通過壹系列表征手段探索其改性和反應機理。建立完整的工業催化劑性能評價體系，對生物發酵過程和催化脫水過程的耦合進行集成研究，建立中試工藝和設備，進而完成該過程的技術經濟指標評價，為工業規模生產提供工業設備的設計、制造和優化技術。
2)無機膜材料的研究
在我國過程工業中，資源利用率低、能耗高、環境汙染嚴重等問題大多與分離過程中的高能耗、低效率密切相關，無機膜材料是解決分離過程中這些問題的有效途徑之壹。系統研究無機膜材料的設計、制備和應用，從理論上建立面向應用過程的膜材料設計和制備的理論框架，建立我國膜材料的設計技術平臺和指標評價體系，從技術上解決壹些對國民經濟有重要影響的特種膜材料的微結構控制和成膜關鍵問題， 從而使我國無機膜材料的制備技術達到國際先進技術水平，為我國無機膜領域的跨越式發展及其在國家重大工程中的應用奠定基礎。 主要包括多孔陶瓷膜制備方法與微觀結構關系的研究，顆粒堆積孔徑與孔隙率和原料粒度分布關系方程的建立，成膜過程中孔隙空間結構變化規律的理論揭示， 研究多孔載體薄膜熱處理過程中顆粒的壹維有限變化行為與燒結體系的關系，建立多孔載體薄膜熱處理過程中的“壹維有限燒結機制”。 研究了多孔陶瓷膜的傳質機理和流體力學，設計了結構更加合理的大型陶瓷膜元件。基於摻雜理論，從材料學的角度分析膜表面性質，研究摻雜對膜材料微觀結構和表面性質的影響，關聯膜材料微觀結構和表面性質與摻雜控制條件的關系，以獲得高性能陶瓷膜材料。致密金屬膜設計制備與氫氣分離集成過程研究。基於前期光催化沈積制備鈀膜的專利技術，開發了壹種新的超薄金屬合金膜制備方法，並通過光催化沈積制備了完整致密的金屬透氫膜，以研究超薄金屬膜的耐久性。混合導體膜材料的設計、制備和應用，開發具有自主知識產權的高氧通量、高穩定性的新型透氧膜材料，在致密透氧膜反應器中繼續耦合CO2熱分解和CH4部分氧化制合成氣的膜反應過程，研究反應過程中膜材料結構的演化規律。開發高效穩定的二氧化碳分解催化劑，制備不同支撐體和膜層材料的片狀/管狀支撐混合導體透氧膜，建立支撐致密透氧膜透氧機理的數學模型，制備中空纖維混合導體致密透氧膜，建立CH4部分氧化制合成氣膜反應器樣機，研究膜反應器設計和管式膜反應器高溫密封材料及技術；有機/陶瓷復合膜的設計、制備和應用，重點發展高性能復合PDMS/陶瓷醇滲透膜材料和有機/陶瓷復合透水膜，突破復合膜放大制備技術和膜組件、組件及成套設備工程放大過程中的壹些關鍵問題，有望形成改性PDMS/陶瓷醇滲透膜規模化制備的制備技術、滲透汽化膜組件的工業化設計技術、 以及與膜組件配套的成套設備，建立水滲透膜和醇滲透膜壹體化測試平臺。 研究分子篩膜的制備及其在有機混合體系中的分離，研究支撐體的制備工藝，分析多孔支撐體的微觀結構對分子篩晶體生長的影響，從而實現針對不同類型膜的相應支撐體設計和制備；研究分子篩晶體的生長機理，建立分子篩膜晶體生長過程與制備控制參數之間的關系；主要研究了NaA分子篩膜的規模化制備，並以乙醇/水體系為重點開發了NaA分子篩膜滲透汽化工業裝置，達到了工業應用水平。
3)膠凝材料的研究
本方向針對我國水泥生產資源消耗高但有效利用率低的問題，吸收化學工程理論，通過對水泥制備中的機理問題和熟料體系的研究，突破傳統矽酸鹽水泥熟料礦物相體系，提高水泥熟料的膠凝性能，改進傳統水泥制造工藝。該方向的研究可以建立我國強度和耐久性優異的高性能水泥材料新體系，實現水泥及水泥基材料的高性能化和生態化。主要包括高C3S熟料最佳C3S含量的研究，礦物的匹配和摻雜物質的作用，以及高C3S熟料的制備。研究摻雜C3S的調制結構，建立與水化活性的關系。研究了高C3S熟料、表面活性天然輔助膠凝材料和石膏的優化組合，制備高性能水泥，並進行轉化應用。從低水灰比水泥的實際應用和高性能出發，研究了水泥漿體的組成和結構，建立了水泥漿體的結構模型。針對有害離子侵蝕環境和堿-集料反應的典型工程應用，研究了高性能水泥基材料的耐久性機理，建立了壽命預測模型，提出了高耐久性水泥基材料的設計原則。
研究方向3:材料的化工應用基礎研究。
思路是以開發的新材料為基礎，緊緊圍繞國家中長期科技發展規劃，面向緩解過程工業資源、能源、環境瓶頸問題的重大需求，研究新型分離技術、新型反應技術和過程集成技術，形成具有自主知識產權、對國民經濟產生重大影響的標誌性成果，實現理論研究對國民經濟和社會發展的直接貢獻。在方向選擇上，圍繞節能減排的具體目標，重點發展基於膜材料、吸附等新材料的分離新技術；基於生物材料、膜材料、催化材料等新材料的反應新技術；基於新材料的過程集成技術及相關基礎研究主要集中在反應-膜分離耦合、膜催化反應器、微化學反應過程等集成技術的應用基礎研究。將開展以下研究工作:
基於物料的分離過程研究。
基於新材料開發新的分離技術具有節能的特點。我們實驗室基於膜材料等新材料和新型吸附材料開發的新型分離技術，如膜分離和吸附分離，壹般在分離過程中不會產生相變，因此具有節能的特點，發展非常迅速，成為分離領域的主要發展方向。主要包括基於膜材料的膜廢水處理技術及工程應用研究，實現在鋼鐵等行業的規模化應用，重點研究汙水中汙染物對膜及膜汙染過程的影響和機理，建立膜的有機和生物汙染模型，設計開發性能優越的新型分離膜材料(尤其是抗汙染膜)，開發新型膜組件，發展膜組件清洗技術。提出了壹種連續制備無水乙醇的新工藝，將乙醇滲透膜的滲透汽化過程與乙醇發酵過程和乙醇滲透膜的滲透汽化過程相結合。研究膜分離技術與生物質衍生物水相重整制氫的耦合，開發小型生物質制氫裝置，促進氫能的推廣應用，開展金屬膜材料及制氫與膜分離集成工藝的針對性研究，開展膜組件組裝效果、高溫密封技術、 制氫與膜分離集成模式及分離效率和膜穩定性操作技術，為透氫金屬膜的評價和使用提供測試和分析平臺，為氫能的工業化應用提供技術和理論基礎； 基於新型吸附材料，對吸附分離過程進行研究，進壹步探索多孔吸附材料的微觀結構和表面化學性質對吸附性能的影響規律。針對常規吸附劑無法分離的體系，開發了具有自主知識產權、技術性能國內外領先的新型吸附劑和吸附工藝並實現產業化，為氣體儲能和大氣汙染治理提供了技術支撐。提高傳統行業氣體凈化技術水平，推廣應用新型吸附分離工藝，促進吸附工藝的工業化應用。
2)基於材料的反應過程研究。
基於新材料的反應技術正在改變化學工業和石油化學工業的面貌。基於新材料的反應技術發展具有綠色、高效的特點。本實驗室開發的基於生物材料、膜材料、催化材料等新材料的反應新技術，對傳統反應過程的技術進步具有重要的推動作用。主要包括基於生物材料的反應過程研究、丙交酯的開環聚合、新型開環聚合引發劑/催化劑的設計與合成、引發劑結構與功能關系的研究，以期獲得高效的引發劑，在短時間內完成丙交酯的聚合並達到較高的分子量，用壹步聚合取代現有的兩步聚合；以發酵得到的丁二酸為原料，研究了生物降解材料PBS及其* * *聚和* * *混合材料的合成。在研究環境友好催化材料催化反應過程的基礎上，通過分析催化過程對催化材料結構和組成的要求，研究了基於新型催化劑的催化過程。研究重點是沸石分子篩催化材料如ZSM-5和MCM-22，以它們為活性組分的催化劑，以介孔分子篩如SBA-15為載體的催化劑，以及以雜多酸為活性組分的催化劑。還研究了以甲苯擇形歧化為代表的擇形催化過程，以苯羥基化為代表的芳烴定向氧化過程，以及以酯化和縮合反應為代表的精細化工過程。可用於清潔燃料生產和化學品綠色合成的固體強酸催化材料的催化應用研究，固體強酸催化烷烴加氫異構化技術的中試研究；以膜材料為基礎，研究固體氧化物燃料電池和新型動力電池。通過新材料的開發、制備和基礎研究，實現了以直接碳氫化合物為燃料的低溫固體氧化物燃料電池技術和千瓦級管狀燃料電池技術。前端聚合工程，研究內容包括前端聚合的化學反應動力學、化學反應熱力學和化學傳遞過程規律。特別是研究了反應熱的產生和傳遞、分叉參數等因素對聚合物前端運動的影響，找出了傳熱和對流傳導對前端不穩定性的關鍵因素和影響前端聚合過程的因素，並建立了其動力學方程。
3)基於物質的反應分離耦合過程研究。
發展基於新材料及相關基礎研究的過程集成技術，可以提高生產效率，降低單位產品能耗，提高資源利用率，減少“三廢”。本實驗室主要研究反應-膜分離耦合、膜催化反應器、微化學反應過程等集成技術，形成具有特色和優勢的研究方向，為國家經濟建設服務。主要包括反應-膜分離的耦合過程。為了提高傳統反應過程的資源利用率，開展了反應-膜分離耦合過程的基礎和應用研究。主要研究內容為反應過程與膜分離過程的匹配關系、耦合過程的流體力學、反應動力學、耦合過程的建模、耦合過程中膜結構的演化規律、膜汙染與再生、耦合過程中膜組件的規模化和標準化設計以及在線清洗技術，有望形成反應-膜分離的自主知識產權。微觀反應過程研究，利用新型微反應器開發新型納米粒子合成和反應過程技術，特別是針對強吸熱和耐熱反應、兩種不互溶體系、傳質控制反應等。，以開發新的快速、安全、高效的微反應過程，在新型的分段流程中連續合成納米無機材料和沸石分子篩，從而實現尺寸可控的連續快速納米材料合成新技術。