流动光化学微反应器中多级结构功能界面的构建及性能研究
批准号:
22072011
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
张利静
依托单位:
学科分类:
胶体与界面化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
张利静
中文摘要
流动光化学微反应器因其内部均匀的光辐射以及高传质传热效率而受到人们的广泛关注。在这类反应器中,通道界面作为流体流动和光能输入的主要场所,其结构和表面性质是影响光传递和物质输运的核心因素。通过微观结构的设计实现物质扩散和光能传输在界面处的协同调控,是提高光催化反应过程整体效率的有效途径。本项目将胶体与界面化学、流体力学与光化学反应过程相结合,以数值仿真方法为理论指导,以高精度激光加工技术为桥梁,将光子晶体与有序微结构阵列相结合,来设计同时具有高效光能利用和高效物质传输的多级结构功能界面。项目的设立和开展,一方面能够得到简单有效构建多级有序结构界面的普适性方法;另一方面,也将有利于对多级结构界面发生的光传递过程、流体流动情况和光催化反应过程等重要的基础性问题进行研究,获得更深层次的认识,为发展高性能流动光化学微反应器提供有益信息。
英文摘要
Flow photochemical microreactors have attracted widespread attention due to their uniform light radiation and high mass and heat transfer efficiency. In this type of reactor, the channel interface is the main site for fluid flow and light energy input, its structure and surface properties are the core factors that affect light transfer and material transport. The coordinated regulation of material diffusion and light energy transmission at the interface through the design of the interface structure is an effective way to improve the overall efficiency of the photocatalytic process. This project combines colloids and interface chemistry, fluid mechanics, and photochemistry, uses numerical simulation methods as theoretical guidance, and uses high-precision laser processing technology as a bridge, combine photonic crystals and the ordered microstructure arrays to design a multi-scale structure function interface with efficient light energy utilization and efficient material transport. The establishment and development of this project, on the one hand, can obtain a universal method for simple and effective construction of multi-scale ordered structural interfaces; on the other hand, it will also be beneficial to the research on the fundamental issues of light transfer, fluid flow and photocatalysis process that occurred simultaneously at the multi-scale structural interfaces. This project will give us much deeper understanding of the regulatory role of the interface structure, and also provide useful information for the development of high-performance flow photochemical microreactors.
在光化学反应过程中,反应器空间内的光能利用和物质输运过程是制约光化学反应效率的两个关键因素。在流动光化学反应器中,通道界面作为流体流动和光能输入的主要场所,其结构和表面性质是影响光传递和物质输运的核心因素。通过微观结构的设计实现物质扩散和光能传输在界面处的协同调控,是提高光催化反应过程整体效率的有效途径。在本项目的资助下,我们首先探索了在光反应通道界面处引入光子晶体结构来强化反应器空间内的光能利用的工作。提出了通道界面微结构构筑和表面浸润性调控的普适性方法,得到了大面积高质量光子晶体组装参数,以及光子带隙强化反应器空间内光能利用率的普适性规律。其次,针对光化学反应过程中的各物理、化学、几何等众多影响因素,搭建了标准光化学反应器,研究了各独立参数对反应转化率的影响,并通过无量纲数据处理得到了多因素对于光化学反应效果耦合影响的数学模型。该数学模型对光化学反应各参数的协调选择以及反应器的参数设计提供了理论依据。在此基础上开展了界面微结构设计强化混合传质的工作,成功的将微反应器通道尺寸从亚毫米级拓展到几毫米尺度,在保证混合传质效果的同时,大幅提升了反应通量(约180倍),为光化学反应器的放大提供了借鉴。最后形成连续流光化学反应系统装置,探索了流动光催化C-N偶联工艺,探索了高通量筛选结合机器学习快速筛选优化反应条件及流动合成参数的研究范式,为高端精细化学产品的智能合成提供了新的思路。.围绕项目工作,在国际重要学术期刊 ACS Adv. Mater. Interfaces、Chem. Eng. J、Chem. Common.、Ind. Eng. Chem. Res.上发表学术论文19篇,授权中国发明专利3项,美国发明专利1项,所发表的研究结果得到国内外同行的广泛认可。项目形成的系列光化学反应器及连续流光化学反应装置得到相关企业的认可,具有市场转化前景。
流动光微反应器中光与微纳结构界面相互作用的分析与优化
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批准号:22211530456
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项目类别:国际(地区)合作与交流项目
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资助金额:19.00万元
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批准年份:2022
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负责人:张利静
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依托单位:
高效荧光微流体集光材料的制备及性能研究
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批准号:51703017
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:25.0万元
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批准年份:2017
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负责人:张利静
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依托单位:
国内基金
海外基金