

近日,我校能源材料化學(xué)研究院趙東元院士、武利民教授、馬玉柱教授聯(lián)合吉林大學(xué)朱有亮教授在Nature Communications期刊上發(fā)表了題為“Gaussian Curvature Engineering of Self-pressurizing Mesoporous Nanoreactors Boosts Dynamic Equilibrium of Molecule Adsorption-Desorption”的研究成果,為智能納米反應(yīng)器的設(shè)計(jì)提供全新范式,更在綠色合成、能源催化及微化工系統(tǒng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用潛力。
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研究亮點(diǎn)
基于納米液滴屈曲策略,設(shè)計(jì)出一系列從凹面到凸面結(jié)構(gòu)的介孔納米反應(yīng)器,實(shí)現(xiàn)對其高斯曲率的精細(xì)調(diào)控;
在單顆粒水平上調(diào)節(jié)熱限域自增壓與外部附加壓力,構(gòu)建分子吸附-脫附動態(tài)平衡橋梁,大幅提升催化效率與目標(biāo)產(chǎn)物選擇性。
依據(jù)楊-拉普拉斯理論,彎曲的液-固界面會產(chǎn)生指向曲率中心的附加壓力。這種壓力源自液相表面張力,并通過分子動量傳遞作用于高斯曲面,最終體現(xiàn)為液體分子對納米顆粒表面的定向吸附驅(qū)動力。為平衡外部壓力,團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了系列自增壓納米反應(yīng)器,多孔殼層將熱量高效局域于空腔內(nèi)部,形成腔內(nèi)高溫與周圍溶劑低溫的顯著溫差效應(yīng)。依據(jù)安托萬方程計(jì)算不同高斯曲面腔體內(nèi)的飽和蒸汽壓,通過精準(zhǔn)設(shè)計(jì)高斯曲率,在吸附與脫附之間建立起定量的動態(tài)平衡橋梁。
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圖1 基于高斯曲面效應(yīng)優(yōu)化納米反應(yīng)器結(jié)構(gòu)
在腔體內(nèi)原位封裝親水性Fe3O4納米顆粒構(gòu)建多功能光熱納米反應(yīng)器。不同高斯曲率的納米反應(yīng)器呈現(xiàn)出差異化光熱效應(yīng),究其原因,光折射的單位面積受腔體體積影響——在相對狹小的空間內(nèi),光反射路徑更短且強(qiáng)度更高。當(dāng)結(jié)構(gòu)從凸面過渡到凹面時(shí),內(nèi)部腔體體積減小,溫度梯度升高。該溫差效應(yīng)有效提升內(nèi)部壓力,增強(qiáng)分子向外的動量傳遞,進(jìn)而加速脫附過程。因此,通過巧妙設(shè)計(jì)納米反應(yīng)器的高斯曲率,可動態(tài)調(diào)和其內(nèi)部與外部壓力,最終達(dá)成對分子吸附-脫附過程的智能調(diào)控。
光熱納米反應(yīng)器在生物質(zhì)衍生的5-羥甲基糠醛(HMF)向高附加值產(chǎn)品5-甲酰基-2-呋喃甲酸(FFCA)的級聯(lián)氧化反應(yīng)中,獲得了高達(dá)97.9%的選擇性,且反應(yīng)效率相較傳統(tǒng)加熱方式提升了一個(gè)數(shù)量級。機(jī)理研究表明,光熱納米反應(yīng)器內(nèi)部加熱所產(chǎn)生的熱對流方向與熱量傳遞方向一致,這種由內(nèi)向外的渦旋效應(yīng)有效促進(jìn)了分子運(yùn)動速率并擴(kuò)大了傳質(zhì)范圍。相比之下,傳統(tǒng)的外部加熱方式僅在納米反應(yīng)器外圍引發(fā)切向流動,傳質(zhì)效率受限。
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圖2 用于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的自加壓介孔納米反應(yīng)器
這項(xiàng)工作設(shè)計(jì)了一系列從凹面到凸面結(jié)構(gòu)的介孔納米反應(yīng)器。該研究在單個(gè)納米反應(yīng)器層面構(gòu)建了熱限域自加壓和外部附加壓力的精確調(diào)控。內(nèi)外壓力在C=7/8時(shí)趨于平衡,分子吸附-脫附量也達(dá)到相對平衡狀態(tài),表現(xiàn)出最佳的催化性能。這為探索更多功能納米反應(yīng)器中分子吸附-脫附的強(qiáng)度搭建了一座動態(tài)平衡橋梁。
我校馬玉柱教授、武利民教授、吉林大學(xué)朱有亮教授為該論文的共同通訊作者,論文以內(nèi)蒙古大學(xué)能源材料化學(xué)研究院為第一通訊單位。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、內(nèi)蒙古自治區(qū)相關(guān)基金項(xiàng)目的資助。
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課題組主頁:
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編輯 :郭佳欣
校對 :紀(jì)欣
責(zé)編 :張書寧
初審 :武濤 伊如樂
復(fù)審 :李文娟
終審 :阿茹娜
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