材料化学工程国家重点实验室(南京工业大学)的研究领域
研究方向1:物质结构和转移现象
研究思路是通过分子模拟和必要的实验研究，在多尺度范围内揭示材料结构、性能和制备之间的关系，模拟工艺设计、生产和加工流程，构建材料化学工程的理论基础。在研究方向的选择上，研究材料的分子设计，通过模拟和实验研究，揭示材料的构效关系，达到根据最终产品的性能要求，裁剪和构建材料分子结构的目的；通过研究材料微观结构的转移、反应物质与材料的相互作用以及这种相互作用与宏观环境的关系，描述了微观结构中的转移现象，建立了材料功能与微观结构之间的定量关系。通过研究材料微/细观尺度存在的基本规律，获得材料制备和应用过程中微/细观层次的相结构和演化过程及机理，从而为材料技术的应用提供理论依据，为新材料的制备和应用提供理论依据；利用计算流体力学模拟材料制备和应用中与流体流动相关的各种宏观现象，为材料制备和应用的工艺过程提供改造设计和创新设计。将开展以下研究工作:
1)材料的分子设计研究
分子模拟、分子组装等技术用于设计和构建新材料的分子和表面结构，包括微/纳米材料、无机/有机聚合物基杂化材料等。，揭示材料的结构与性能之间的关系，为材料的制备和应用提供理论依据。主要包括研究微/纳米材料可控制备新技术及相关科学基础理论，从量子、化学热力学和结晶动力学角度研究纳米材料的形成机理和微结构控制规律，建立材料制备与加工过程、材料形貌与结构、材料应用性能之间的关系；研究微/纳米材料的表面改性与构筑，即微/纳米粒子的表面改性，微/纳米粒子与表面改性剂的相互作用，改善微/纳米粒子的润湿性，增强微/纳米粒子在介质中的分散性和相容性，特别是具有超亲水和超疏水表面的微/纳米材料及其功能性生长的功能性微/纳米材料；针对有机-无机杂化材料的制备和加工，研究了无机材料的表面改性机理和表面结构控制，以及与有机单体的原位聚合和杂化机理。通过无机材料的表面设计和表面处理，控制无机/聚合物复合材料的界面结构和行为，获得多种性能优异的多组分多尺度复合材料，从而提高纳米杂化复合聚合物的加工性能，探索其特定的光电和其他特定性能。
2)材料界面分子转移现象的研究。
借助分子模拟技术、密度泛函理论、逾渗理论等。，研究材料微观结构传递和反应中材料与材料之间的相互作用规律，以及这种相互作用规律与宏观环境的关系，描述微观结构中的传递行为，建立材料功能与微观结构之间的定量关系，实现针对应用需求设计材料微观结构的目标。主要包括通过分子模拟从分子水平研究材料的化学工程，如膜科学、介孔材料、燃料电池制氢等。，包括非均质表面上和有限条件下流体的结构和动力学性质，探索微观传递和微观扩散的机理并建立相应的热力学模型；研究纳米尺度多孔材料的受限行为，包括碳材料(活性炭)、分子筛、多孔硅胶、纳米管以及低k和高k多孔微电子介电材料，研究流体物质与固体表面的相互作用，基于分子模拟研究流体混合物在多孔膜中的扩散和渗透，为建立表观理论模型和设计新型功能材料提供机理指导；将材料科学的理论和方法引入经典传质理论，建立膜过程的传质结构模型，建立多孔陶瓷膜分离性能与其微结构的关系模型，建立膜表面滤饼形成的动力学模型，描述膜分离机理，实现面向应用过程的膜材料微结构设计目的。
3)材料的多尺度模拟和耦合研究。
由于材料微观结构及其演化的时空分布范围较大，因此需要使用不同尺度的模拟来获得材料性能的完整表征和正确预测。利用定量计算、分子模拟和介观模拟的方法，研究材料微/介观尺度存在的基本规律，揭示材料制备和应用过程中微/介观层次的相结构和演化过程及机理，获得材料的宏观性能，从而为材料技术的应用和新材料的制备和应用提供理论依据。同时对材料制备和应用过程中涉及的各种化学工程宏观现象进行CFD(计算流体力学)模拟，为材料制备和应用的工艺流程改造或创新设计奠定基础。主要包括基于分子模拟研究大规模分子在不同溶剂中的相行为和自组装，在统计力学基础上建立描述聚合物和表面活性剂相行为的状态方程，研究溶质的存在对表面活性剂相行为的影响，以及胶束条件下溶质的输运行为和动力学行为；以CFD技术和各种工程应用的理论模型为研究对象，理论模型的研究内容主要是指除了CFD技术的一些通用模型之外，可以用于特殊场合的物理、化学和数学模型，如各种反应模型、气泡流动模型、流化床模型和特殊传热模型等。应用研究主要针对无机非金属材料行业(如水泥回转窑、碳酸锶、碳酸钡、铬盐煅烧、磁粉、玻璃、陶瓷窑炉)燃烧系统的优化设计、运行、节能降耗；以及石油化工加热炉-油气混烧、重整、催化剂再生的自动控制和优化调节操作。聚合物聚合反应器的聚合速率、粘度特性及反应装置的优化设计。
研究方向2:材料制备的化学工程方法。
基本的研究思路是用化学工程的理论和方法来指导材料的设计和制备。通过对材料的生产过程进行系统的化学工程研究，同时发展了一些重要新材料的设计和制备方法，为新材料产业的形成奠定了理论和技术基础。在研究方向的选择上，根据国家的重要需求和本实验室的优势研究方向，重点发展生物基高分子材料的制备技术，以缓解大宗原料和重要化学品生产对矿石资源的高度依赖；重点发展水泥生产的绿色制备技术，为其循环经济提供理论基础；建立了面向应用过程的无机膜材料设计方法。通过对无机膜材料的功能-结构-制备关系的理论研究，揭示宏观可用性与材料微观结构之间的定量关系，以及材料微观结构的形成机理和控制规律，为面向应用过程的陶瓷膜材料的设计和制备建立理论框架。将开展以下研究工作:
1)生物基材料的研究
在国家石油替代战略目标的指引下，研究以材料为原料的本体高分子基础原料制备技术，缓解材料行业过度依赖矿石资源的局面。生物化学理论揭示了生物大分子和单体的合成机理、生物大分子的性质和工艺参数控制之间的关系。借助现代化学工程，解决了生物材料制备中的一些关键问题，我国生物基材料制备技术达到国际先进水平。主要包括:生物催化剂的筛选和转化，用于制备生物材料单体和聚合物的微生物或酶发现的理论和方法学研究，生物催化剂转化方法学的建立和完善，建立离子束、激光和化学诱变剂的通用诱变技术平台，可以在更快的时间内为生物材料的制备开发出性能更好、更经济的微生物菌株。建立合理的分子设计，定向进化改良微生物，在离子束生物技术和分子生物学结合改造微生物中形成特色，在品种库建设和高通筛选方法上实现突破。围绕几种本体聚合物单体的制备，进行了微生物菌种的筛选和转化，包括聚乳酸单体L-和D-乳酸；被称为“21，3-丙二醇”，PTT生产的关键单体；L-精氨酸、L-丙氨酸和丙酸等L-和D-氨基酸生产菌株的研究。筛选和改造适于制备聚酰胺生物聚合物如聚谷氨酸和聚赖氨酸以及韦兰胶多糖聚合物的生物催化剂；生物高分子材料的生物催化过程:研究生物转化产生的单体和聚合物的代谢机理，以生物高分子聚谷氨酸的代谢途径为研究对象，应用同位素示踪分析和代谢工程的理论和技术，分析代谢途径和网络，阐明生物聚合的关键酶和限速步骤。在此基础上，利用分子生物学手段强化代谢中心流，敲除副产物代谢旁路，使微生物菌株向聚谷氨酸合成方向代谢，从而达到超量生产聚谷氨酸的目的。本文研究了单体和聚合物生物转化过程中的调控和优化。计划以丁二酸的高密度发酵为重点，扩大生产的影响因素，探索生物法生产丙酸的技术。研究细胞固定化技术，提高丙酸产生菌的稳定性和催化活性，综合考虑副产物维生素B12的联产和回收，使丙酸生产效益最大化，设计反应和分离的耦合装置，实现丙酸的连续生产；生物高分子材料的催化合成:生物基平台化合物脱水催化工程应用技术研究。以生物乙烯和生物基丙烯酸为研究体系，探索以生物发酵获得的生物小分子为原料进行化学脱水以提高反应选择性和催化剂使用寿命，并通过一系列表征手段探索其改性和反应机理。建立完整的工业催化剂性能评价体系，对生物发酵过程和催化脱水过程的耦合进行集成研究，建立中试工艺和设备，进而完成该过程的技术经济指标评价，为工业规模生产提供工业设备的设计、制造和优化技术。
2)无机膜材料的研究
在我国过程工业中，资源利用率低、能耗高、环境污染严重等问题大多与分离过程中的高能耗、低效率密切相关，无机膜材料是解决分离过程中这些问题的有效途径之一。系统研究无机膜材料的设计、制备和应用，从理论上建立面向应用过程的膜材料设计和制备的理论框架，建立我国膜材料的设计技术平台和指标评价体系，从技术上解决一些对国民经济有重要影响的特种膜材料的微结构控制和成膜关键问题， 从而使我国无机膜材料的制备技术达到国际先进技术水平，为我国无机膜领域的跨越式发展及其在国家重大工程中的应用奠定基础。 主要包括多孔陶瓷膜制备方法与微观结构关系的研究，颗粒堆积孔径与孔隙率和原料粒度分布关系方程的建立，成膜过程中孔隙空间结构变化规律的理论揭示， 研究多孔载体薄膜热处理过程中颗粒的一维有限变化行为与烧结体系的关系，建立多孔载体薄膜热处理过程中的“一维有限烧结机制”。 研究了多孔陶瓷膜的传质机理和流体力学，设计了结构更加合理的大型陶瓷膜元件。基于掺杂理论，从材料学的角度分析膜表面性质，研究掺杂对膜材料微观结构和表面性质的影响，关联膜材料微观结构和表面性质与掺杂控制条件的关系，以获得高性能陶瓷膜材料。致密金属膜设计制备与氢气分离集成过程研究。基于前期光催化沉积制备钯膜的专利技术，开发了一种新的超薄金属合金膜制备方法，并通过光催化沉积制备了完整致密的金属透氢膜，以研究超薄金属膜的耐久性。混合导体膜材料的设计、制备和应用，开发具有自主知识产权的高氧通量、高稳定性的新型透氧膜材料，在致密透氧膜反应器中继续耦合CO2热分解和CH4部分氧化制合成气的膜反应过程，研究反应过程中膜材料结构的演化规律。开发高效稳定的二氧化碳分解催化剂，制备不同支撑体和膜层材料的片状/管状支撑混合导体透氧膜，建立支撑致密透氧膜透氧机理的数学模型，制备中空纤维混合导体致密透氧膜，建立CH4部分氧化制合成气膜反应器样机，研究膜反应器设计和管式膜反应器高温密封材料及技术；有机/陶瓷复合膜的设计、制备和应用，重点发展高性能复合PDMS/陶瓷醇渗透膜材料和有机/陶瓷复合透水膜，突破复合膜放大制备技术和膜组件、组件及成套设备工程放大过程中的一些关键问题，有望形成改性PDMS/陶瓷醇渗透膜规模化制备的制备技术、渗透汽化膜组件的工业化设计技术、 以及与膜组件配套的成套设备，建立水渗透膜和醇渗透膜一体化测试平台。 研究分子筛膜的制备及其在有机混合体系中的分离，研究支撑体的制备工艺，分析多孔支撑体的微观结构对分子筛晶体生长的影响，从而实现针对不同类型膜的相应支撑体设计和制备；研究分子筛晶体的生长机理，建立分子筛膜晶体生长过程与制备控制参数之间的关系；主要研究了NaA分子筛膜的规模化制备，并以乙醇/水体系为重点开发了NaA分子筛膜渗透汽化工业装置，达到了工业应用水平。
3)胶凝材料的研究
本方向针对我国水泥生产资源消耗高但有效利用率低的问题，吸收化学工程理论，通过对水泥制备中的机理问题和熟料体系的研究，突破传统硅酸盐水泥熟料矿物相体系，提高水泥熟料的胶凝性能，改进传统水泥制造工艺。该方向的研究可以建立我国强度和耐久性优异的高性能水泥材料新体系，实现水泥及水泥基材料的高性能化和生态化。主要包括高C3S熟料最佳C3S含量的研究，矿物的匹配和掺杂物质的作用，以及高C3S熟料的制备。研究掺杂C3S的调制结构，建立与水化活性的关系。研究了高C3S熟料、表面活性天然辅助胶凝材料和石膏的优化组合，制备高性能水泥，并进行转化应用。从低水灰比水泥的实际应用和高性能出发，研究了水泥浆体的组成和结构，建立了水泥浆体的结构模型。针对有害离子侵蚀环境和碱-集料反应的典型工程应用，研究了高性能水泥基材料的耐久性机理，建立了寿命预测模型，提出了高耐久性水泥基材料的设计原则。
研究方向3:材料的化工应用基础研究。
思路是以开发的新材料为基础，紧紧围绕国家中长期科技发展规划，面向缓解过程工业资源、能源、环境瓶颈问题的重大需求，研究新型分离技术、新型反应技术和过程集成技术，形成具有自主知识产权、对国民经济产生重大影响的标志性成果，实现理论研究对国民经济和社会发展的直接贡献。在方向选择上，围绕节能减排的具体目标，重点发展基于膜材料、吸附等新材料的分离新技术；基于生物材料、膜材料、催化材料等新材料的反应新技术；基于新材料的过程集成技术及相关基础研究主要集中在反应-膜分离耦合、膜催化反应器、微化学反应过程等集成技术的应用基础研究。将开展以下研究工作:
基于物料的分离过程研究。
基于新材料开发新的分离技术具有节能的特点。我们实验室基于膜材料等新材料和新型吸附材料开发的新型分离技术，如膜分离和吸附分离，一般在分离过程中不会产生相变，因此具有节能的特点，发展非常迅速，成为分离领域的主要发展方向。主要包括基于膜材料的膜废水处理技术及工程应用研究，实现在钢铁等行业的规模化应用，重点研究污水中污染物对膜及膜污染过程的影响和机理，建立膜的有机和生物污染模型，设计开发性能优越的新型分离膜材料(尤其是抗污染膜)，开发新型膜组件，发展膜组件清洗技术。提出了一种连续制备无水乙醇的新工艺，将乙醇渗透膜的渗透汽化过程与乙醇发酵过程和乙醇渗透膜的渗透汽化过程相结合。研究膜分离技术与生物质衍生物水相重整制氢的耦合，开发小型生物质制氢装置，促进氢能的推广应用，开展金属膜材料及制氢与膜分离集成工艺的针对性研究，开展膜组件组装效果、高温密封技术、 制氢与膜分离集成模式及分离效率和膜稳定性操作技术，为透氢金属膜的评价和使用提供测试和分析平台，为氢能的工业化应用提供技术和理论基础； 基于新型吸附材料，对吸附分离过程进行研究，进一步探索多孔吸附材料的微观结构和表面化学性质对吸附性能的影响规律。针对常规吸附剂无法分离的体系，开发了具有自主知识产权、技术性能国内外领先的新型吸附剂和吸附工艺并实现产业化，为气体储能和大气污染治理提供了技术支撑。提高传统行业气体净化技术水平，推广应用新型吸附分离工艺，促进吸附工艺的工业化应用。
2)基于材料的反应过程研究。
基于新材料的反应技术正在改变化学工业和石油化学工业的面貌。基于新材料的反应技术发展具有绿色、高效的特点。本实验室开发的基于生物材料、膜材料、催化材料等新材料的反应新技术，对传统反应过程的技术进步具有重要的推动作用。主要包括基于生物材料的反应过程研究、丙交酯的开环聚合、新型开环聚合引发剂/催化剂的设计与合成、引发剂结构与功能关系的研究，以期获得高效的引发剂，在短时间内完成丙交酯的聚合并达到较高的分子量，用一步聚合取代现有的两步聚合；以发酵得到的丁二酸为原料，研究了生物降解材料PBS及其* * *聚和* * *混合材料的合成。在研究环境友好催化材料催化反应过程的基础上，通过分析催化过程对催化材料结构和组成的要求，研究了基于新型催化剂的催化过程。研究重点是沸石分子筛催化材料如ZSM-5和MCM-22，以它们为活性组分的催化剂，以介孔分子筛如SBA-15为载体的催化剂，以及以杂多酸为活性组分的催化剂。还研究了以甲苯择形歧化为代表的择形催化过程，以苯羟基化为代表的芳烃定向氧化过程，以及以酯化和缩合反应为代表的精细化工过程。可用于清洁燃料生产和化学品绿色合成的固体强酸催化材料的催化应用研究，固体强酸催化烷烃加氢异构化技术的中试研究；以膜材料为基础，研究固体氧化物燃料电池和新型动力电池。通过新材料的开发、制备和基础研究，实现了以直接碳氢化合物为燃料的低温固体氧化物燃料电池技术和千瓦级管状燃料电池技术。前端聚合工程，研究内容包括前端聚合的化学反应动力学、化学反应热力学和化学传递过程规律。特别是研究了反应热的产生和传递、分叉参数等因素对聚合物前端运动的影响，找出了传热和对流传导对前端不稳定性的关键因素和影响前端聚合过程的因素，并建立了其动力学方程。
3)基于物质的反应分离耦合过程研究。
发展基于新材料及相关基础研究的过程集成技术，可以提高生产效率，降低单位产品能耗，提高资源利用率，减少“三废”。本实验室主要研究反应-膜分离耦合、膜催化反应器、微化学反应过程等集成技术，形成具有特色和优势的研究方向，为国家经济建设服务。主要包括反应-膜分离的耦合过程。为了提高传统反应过程的资源利用率，开展了反应-膜分离耦合过程的基础和应用研究。主要研究内容为反应过程与膜分离过程的匹配关系、耦合过程的流体力学、反应动力学、耦合过程的建模、耦合过程中膜结构的演化规律、膜污染与再生、耦合过程中膜组件的规模化和标准化设计以及在线清洗技术，有望形成反应-膜分离的自主知识产权。微观反应过程研究，利用新型微反应器开发新型纳米粒子合成和反应过程技术，特别是针对强吸热和耐热反应、两种不互溶体系、传质控制反应等。，以开发新的快速、安全、高效的微反应过程，在新型的分段流程中连续合成纳米无机材料和沸石分子筛，从而实现尺寸可控的连续快速纳米材料合成新技术。