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化学系在化学与工程学交叉学科领域取得新进展

时间:2019-04-11 11:01来源: 作者: 点击:

 

 

提高反应效率、减少催化剂分离过程带来的能耗和污染是目前化学合成领域面临的重要问题。在多相催化反应中,分子水平的反应过程和分子群水平的物质传递过程都是围绕着多相界面进行的。因此,对界面间的物质扩散和反应过程进行协同控制,有望实现反应在宏观水平上的有效强化。近期,大连理工大学化工学院化学系张利静博士和陶胜洋教授团队利用3D打印、数值模拟等工程学手段、并结合界面化学技术制备了一种同时具有界面微结构和反应活性的动态催化反应器。该反应器的界面结构有效强化了流体在固液界面间运动过程,将多相反应中的物质扩散与反应过程高效耦合在一起,极大地提高了反应的催化效率。相关结果发表在Advanced Materials Technologies2019, 4, 1800515)上,并被Materials Views China进行亮点报道,同时搜狐科技、网易新闻、新浪博客、大连理工官方微博、工信部下属增材制造研究院、南极熊3D打印网、三迪时空等十余家知名媒体、3D打印门户网站和科研院所都对此工作进行了转载报道,累计总浏览次数上万次。

3D打印技术是一种逐层累加的加工方式,可以快速的将具有复杂结构的数字模型转化为现实中的实体物体。它能够加工的材料较为广泛,包括工程塑料、光敏树脂、金属、陶瓷、生物细胞等等。研究团队采用立体光固化3D打印机加工得到具有不同界面微结构的光敏树脂搅拌桨,并综合利用结构力学和流体力学有限元分析手段对搅拌器运动过程中受力及表面流体分布情况进行模拟分析,设计得到能够界面形成较强漩涡动能区域的界面微结构,强化物质的传递和扩散过程

在催化活性设计方面研究者设计合成具有丙烯酸酯基团的咪唑基离子液体,通过光聚合方式修饰在搅拌桨的表面,并与四氯合钯阴离子交换经NaBH4还原,得到具有Pd催化活性的界面。该研究团队利用此思路设计制造具有棱柱界面结构和Pd催化活性的搅拌器,很好的将扩散与反应过程充分耦合在一起,对硝基苯酚还原、Suzuki偶联和染料污水脱色反应都起到很好的催化效果热过滤实验显示催化剂泄漏极低,搅拌器可循环多次使用,并且在反应后搅拌器可以方便的从反应中直接提拉分离出来,克服了常规搅拌反应中催化剂难以分离的问题。

动态催化搅拌器将数字设计与制造、有限元计算分析和界面化学修饰相结合,体现了现代数字信息技术与传统化学分子设计方法的高度交叉合作。这一过程简单可控、应用方便。并且3D打印技术也有将制造物体快速放大的优势,有望将这一催化反应器尺寸放大到满足实际生产的尺度。相信将3D打印与界面化学修饰相结合会成为制造用于多相催化反应器件的有力手段。

论文第一作者为研究生武娟娟张利静博士和陶胜洋教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金项目(21473019, 51703017)和大连理工大学基本科研业务费(DUT 17LK36支持。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/admt.201800515

MaterialsViews亮点评论:http://www.materialsviewschina.com/2019/03/35047/

搜狐科技转载链接:http://www.sohu.com/a/301580546_100034932

网易新闻转载链接:http://3g.163.com/dy/article/EB4PMDSJ0511EK46.html

新浪博客转载链接:http://blog.sina.com.cn/s/blog_1663697630102xzm9.html

三迪时空转载链接:http://www.3dfocus.com/news/show-10373.html

工信部工业文化发展中心增材制造(3D打印)研究院新材料研究所官网产业研究报道:http://miitcls3d.com/article262/detail351.html

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