材料化學(xué)工程中的熱力學(xué)與分子模擬研究

內(nèi)容概要

由陸小華編著的《材料化學(xué)工程中的熱力學(xué)與分子模擬研究》闡述了“
材料化學(xué)工程”學(xué)科的難點(diǎn)、熱點(diǎn)和焦點(diǎn)問(wèn)題，并初步探討了學(xué)科自身的方法論。采用熱力學(xué)和分子模擬的方法研究材料化學(xué)工程典型體系，重點(diǎn)介紹作者對(duì)材料性能有顯著影響的介觀層次的微相結(jié)構(gòu)及其演變過(guò)程、界面結(jié)構(gòu)以及溶液中離子的傳遞規(guī)律的創(chuàng)新工作。
《材料化學(xué)工程中的熱力學(xué)與分子模擬研究》可供從事化學(xué)工程、材料工程、生物工程的科技人員以及高等院校相關(guān)專業(yè)師生閱讀參考。

作者簡(jiǎn)介

陸小華，男，1959年12月生，1988年畢業(yè)于原南京化工學(xué)院化學(xué)工程專業(yè)并獲博士學(xué)位，1993年任教授。曾任德國(guó)洪堡基金會(huì)(AvH)研究員、美國(guó)AspenTech公司訪問(wèn)教授。現(xiàn)任南京工業(yè)大學(xué)博士生導(dǎo)師，教育部“材料化學(xué)工程”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人和材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)副主任。兼任美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)兼職教授，國(guó)際雜志Fluid
Phase Equlibria、《化工學(xué)報(bào)》、《過(guò)程工程學(xué)報(bào)》編委，江蘇省第九、十、十一屆人大常委會(huì)委員。
長(zhǎng)期從事化工熱力學(xué)及材料化學(xué)工程和介觀與界面現(xiàn)象研究，曾擔(dān)任2010年“第十二屆國(guó)際流體相平衡會(huì)議PPEPPD”國(guó)際組委會(huì)主席，主持國(guó)家杰出青年基金項(xiàng)目等，共發(fā)表論文200余篇，獲國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)18項(xiàng)。曾榮獲原化工部有突出貢獻(xiàn)的中青年專家稱號(hào)、霍英東教育基金會(huì)青年教師獎(jiǎng)、教育部有突出貢獻(xiàn)的中國(guó)博士學(xué)位獲得者、原化工部跨世紀(jì)人才、國(guó)務(wù)院“政府特殊津貼”，全國(guó)教育系統(tǒng)勞動(dòng)模范和優(yōu)秀教師稱號(hào)，被評(píng)為江蘇省師德模范，先后獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)和5次獲得教育部、江蘇省和原化工部科技進(jìn)步、二等獎(jiǎng)。培養(yǎng)博士、碩士70余名，其中一位獲全國(guó)百篇優(yōu)秀博士論文。

書籍目錄

前言
第1章　從介觀尺度和界面現(xiàn)象分析材料化學(xué)工程所面臨的挑戰(zhàn)
　1.1　材料化學(xué)工程的產(chǎn)生與意義
　1.2　材料化學(xué)工程的主要研究?jī)?nèi)容
　　1.2.1　“做”材料：基于化學(xué)工程理論與方法的材料制備技術(shù)
　　1.2.2　“用”材料：基于新材料的化學(xué)單元技術(shù)與理論
　　1.2.3　面向先進(jìn)材料的材料化學(xué)工程的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題及難點(diǎn)
　　1.2.4　以介孔TiO2功能材料為例剖析材料化學(xué)工程難點(diǎn)
　1.3　整體學(xué)術(shù)思路和本書框架
　　1.3.1　材料化學(xué)工程研究方法的出發(fā)點(diǎn)
　　1.3.2　整體學(xué)術(shù)思路
　　1.3.3　本書主要內(nèi)容和框架
　參考文獻(xiàn)
第2章　電解質(zhì)溶液的固液相平衡和分子模擬研究
　2.1　電解質(zhì)溶液的固液相平衡和分子模擬研究的重要意義
　2.2　電解質(zhì)溶液的固液相平衡研究
　　2.2.1　電解質(zhì)溶液分子熱力學(xué)模型（Lu-Maurer模型）
　　2.2.2　離子選擇性電極（ISEs）實(shí)驗(yàn)方法
　　2.2.3　電解質(zhì)溶液相平衡軟件包的建立
　　2.2.4　固液相平衡級(jí)計(jì)算通用方法的建立
　2.3　電解質(zhì)溶液的分子模擬研究
　　2.3.1　離子水化的分子動(dòng)力學(xué)研究
　　2.3.2　離子水化和締合的量子化學(xué)與分子動(dòng)力學(xué)研究
　2.4　高溫高壓下電解質(zhì)溶液的熱力學(xué)模型
　　2.4.1　高溫高壓下電解質(zhì)溶液的分子模擬
　　2.4.2　熱力學(xué)模型的建立
　　2.4.3　模型參數(shù)的擬合及應(yīng)用
　參考文獻(xiàn)
第3章　基于熱力學(xué)方法的固液界面?zhèn)鬟f行為的研究
　3.1　固液界面?zhèn)鬟f過(guò)程中熱力學(xué)研究的重要意義
　　3.1.1　固液界面?zhèn)鬟f研究的重要性
　　3.1.2　固液界面?zhèn)鬟f過(guò)程的熱力學(xué)研究方法
　　3.1.3　運(yùn)用非平衡熱力學(xué)研究傳遞模型的思路
　3.2　基于非平衡熱力學(xué)方法的固液界面?zhèn)鬟f模型的建立及其應(yīng)用
　　3.2.1　晶體在溶液中溶解的物理模型描述
　　3.2.2　固液界面?zhèn)鬟f模型的建立
　　3.2.3　晶體溶解動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)
　3.3　非平衡熱力學(xué)固液界面?zhèn)鬟f模型的應(yīng)用
　　3.3.1　鈦酸鉀晶須高質(zhì)量、低成本制備過(guò)程中離子交換速率的控制
　　3.3.2　光鹵石溶解過(guò)程中的形貌控制
　3.4　影響固液界面?zhèn)鬟f行為的因素
　　3.4.1　材料化學(xué)工程中的界面現(xiàn)象
　　3.4.2　認(rèn)識(shí)復(fù)雜固液界面?zhèn)鬟f過(guò)程中遇到的難題
　3.5　固液界面?zhèn)鬟f行為在材料化學(xué)工程研究中的新手段
　參考文獻(xiàn)
第4章　界面影響下流體納米微結(jié)構(gòu)的分子模擬研究
　4.1　材料化學(xué)工程中的分子模擬
　　4.1.1　化工應(yīng)用中的分子模擬
　　4.1.2　膜材料設(shè)計(jì)與優(yōu)化的分子模擬
　　4.1.3　納米器件與生物通道的分子模擬
　4.2　離子水溶液的分子模擬
　　4.2.1　水的微結(jié)構(gòu)
　　4.2.2　離子水化
　4.3　幾何尺寸對(duì)流體性質(zhì)的影響
　　4.3.1　幾何尺寸對(duì)流體分子微結(jié)構(gòu)的影響
　　4.3.2　溫度、壓力對(duì)流體分子微結(jié)構(gòu)的影響
　　4.3.3　幾何尺寸對(duì)流體吸附與分離的影響
　4.4　化學(xué)改性對(duì)流體性質(zhì)的影響
　　4.4.1　化學(xué)改性對(duì)流體結(jié)構(gòu)的影響
　　4.4.2　化學(xué)改性對(duì)離子水化的影響
　　4.4.3　表面親疏水性對(duì)流體擴(kuò)散的影響
　4.5　分子模擬研究對(duì)材料化學(xué)工程應(yīng)用的啟示
　參考文獻(xiàn)
第5章　熱力學(xué)方法在鈦酸鉀晶須制備及自潤(rùn)滑材料研究中的應(yīng)用
　5.1　鈦酸鉀晶須的制備及存在的問(wèn)題
　　5.1.1　鈦酸鉀晶須的概述
　　5.1.2　六鈦酸鉀晶須的制備方法
　　5.1.3　高溫反應(yīng)一離子交換法存在的問(wèn)題及研究思路
　5.2　六鈦酸鉀晶須制備過(guò)程中的熱力學(xué)研究
　　5.2.1　燒結(jié)過(guò)程的熱力學(xué)研究
　　5.2.2　基于熱力學(xué)的六鈦酸鉀形貌控制
　　5.2.3　離子交換熱力學(xué)模型的建立
　　5.2.4　基于離子交換熱力學(xué)模型的六鈦酸鉀高純度制備
　5.3　六鈦酸鉀晶須制備過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)研究
　　5.3.1　利用離子選擇性電極在線監(jiān)測(cè)離子交換過(guò)程
　　5.3.2　離子交換機(jī)理研究
　　5.3.3　使用統(tǒng)計(jì)速率理論模型研究離子交換動(dòng)力學(xué)模型
　5.4　六鈦酸鉀晶須的規(guī)?；苽?br />　5.5　基于非平衡熱力學(xué)原理的自潤(rùn)滑材料關(guān)鍵因素分析及其設(shè)計(jì)
　　5.5.1　基于非平衡熱力學(xué)原理的自潤(rùn)滑材料關(guān)鍵因素分析
　　5.5.2　基于非平衡熱力學(xué)原理的自潤(rùn)滑材料設(shè)計(jì)
　參考文獻(xiàn)
第6章　材料化學(xué)工程方法在介孔氧化鈦功能材料研究中的應(yīng)用
　6.1　氧化鈦材料及其應(yīng)用的研究現(xiàn)狀
　　6.1.1　材料化學(xué)工程方法指導(dǎo)氧化鈦功能材料的制備
　　6.1.2　以氧化鈦材料為基礎(chǔ)的過(guò)程裝備與技術(shù)
　6.2　介孔氧化鈦材料的制備及特性研究
　　6.2.1　介孔氧化鈦制備及其難點(diǎn)
　　6.2.2　控制pH值實(shí)現(xiàn)介孔氧化鈦純度的精確調(diào)控
　　6.2.3　介孔氧化鈦的高比表面積研究
　　6.2.4　介孔氧化的高晶化孔壁和高銳鈦穩(wěn)定性研究
　　6.2.5　介孔氧化鈦的原子層面晶格匹配的銳鈦TiO2（B）核殼結(jié)構(gòu)研究
　　6.2.6　介孔氧化鈦的快速化制備
　6.3　熱力學(xué)與分子模擬指導(dǎo)的介孔氧化鈦加氫脫硫研究
　　6.3.1　面向國(guó)家重大需求的課題設(shè)立
　　6.3.2　面向加氫脫硫應(yīng)用需求的材料初步設(shè)計(jì)與制備
　　6.3.3　熱力學(xué)指導(dǎo)的超臨界CO2催化劑納米化擔(dān)載技術(shù)
　　6.3.4　熱力學(xué)和分子模擬在氧化鈦與流體間特殊界面性質(zhì)研究中的應(yīng)用
　　6.3.5　介孔氧化鈦其他功能化修飾及應(yīng)用展望
　6.4　材料化學(xué)工程方法指導(dǎo)氧化鈦光催化裝備與技術(shù)的研究
　　6.4.1　非均相光催化技術(shù)及反應(yīng)器的簡(jiǎn)介
　　6.4.2　高級(jí)氧化技術(shù)礦化水中污染物的理論極限濃度分析
　　6.4.3　液固非均相光催化的過(guò)程強(qiáng)化
　　6.4.4　液圍非均相光催化過(guò)程的放大
　　6.4.5　液固非均相光催化反應(yīng)裝置運(yùn)行的模型指導(dǎo)
　參考文獻(xiàn)
第7章　材料化學(xué)工程內(nèi)涵及方法論初探
　7.1　材料化學(xué)工程學(xué)科內(nèi)涵的初探
　7.2　材料化學(xué)工程方法論初探
　　7.2.1　固液界面處介質(zhì)傳遞的極限分析：復(fù)雜溶液的相平衡
　　7.2.2　解決過(guò)程速率和效率的博弈：非平衡熱力學(xué)的線性化
　　7.2.3　分子層面認(rèn)識(shí)在材料制備和應(yīng)用層面轉(zhuǎn)化：理論、模擬和實(shí)驗(yàn)的互動(dòng)
　參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章　從介觀尺度和界面現(xiàn)象分析材料化學(xué)工程所面臨的挑戰(zhàn)過(guò)程工業(yè)給人們提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)也帶來(lái)了化石資源枯竭、能源短缺、環(huán)境污染等問(wèn)題，可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重制約，節(jié)能減排是國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃的要求，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要多學(xué)科的綜合研究，材料化學(xué)工程在此背景下應(yīng)運(yùn)而生。作為一門新興的交叉學(xué)科，材料化學(xué)工程強(qiáng)調(diào)以化學(xué)工程為基礎(chǔ)，面向先進(jìn)材料的材料制備和應(yīng)用。如何將化學(xué)工程的放大方法引入材料制備領(lǐng)域？如何利用宏觀易控操作條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料結(jié)構(gòu)的控制？如何基于特定結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行工藝和裝備優(yōu)化？如何建立材料功能的失效與其結(jié)構(gòu)的演變和工藝裝備的關(guān)系？本章將在剖析關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，介紹全書的學(xué)術(shù)思路和研究方法。1。1　材料化學(xué)工程的產(chǎn)生與意義過(guò)程工業(yè)是我國(guó)工業(yè)的重要組成部分，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001年以物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程為特征的過(guò)程工業(yè)創(chuàng)造的工業(yè)產(chǎn)值為3。7萬(wàn)億元、工業(yè)增加值為1。2萬(wàn)億元、產(chǎn)品銷售收入為4。2萬(wàn)億元，分別占整個(gè)制造業(yè)的42。9%、42。5%和44。8%。過(guò)程工業(yè)的發(fā)展對(duì)加快我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程、解決我國(guó)長(zhǎng)期供給短缺的問(wèn)題發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。但我國(guó)過(guò)程工業(yè)的技術(shù)與裝備十分落后，普遍存在資源浪費(fèi)、能耗高和環(huán)境污染等問(wèn)題，有的行業(yè)資源利用率只有10%，過(guò)程工業(yè)的能耗占全國(guó)工業(yè)能耗總量的70%，占全國(guó)能耗總量的54。4%，單位產(chǎn)值的能耗是世界平均水平的2~4倍，空氣、水和固體廢棄物污染嚴(yán)重。我國(guó)已成為世界第一資源加工消費(fèi)大國(guó)和世界第二能源耗用大國(guó)。枟全球礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略研究2001年報(bào)告枠指出：“中國(guó)的許多資源不足，并將在二三十年內(nèi)面臨包括石油和天然氣在內(nèi)的各種資源的短缺。?！薄＿^(guò)程工業(yè)對(duì)資源、能源的過(guò)度消耗和對(duì)環(huán)境的污染已經(jīng)成為制約我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。大力降低資源消耗、提高能源利用效率、保護(hù)環(huán)境已經(jīng)成為我國(guó)過(guò)程工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵所在。枟國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要枠指出：“根據(jù)全面建設(shè)小康社會(huì)的緊迫需求、世界科技發(fā)展趨勢(shì)和我國(guó)國(guó)力，必須把握科技發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)”，“把發(fā)展能源、水資源、環(huán)境保護(hù)技術(shù)放在優(yōu)先位置，下決心解決制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重大瓶頸問(wèn)題”。因此，有效解決我國(guó)過(guò)程工業(yè)對(duì)資源、能源的過(guò)度消耗和對(duì)環(huán)境的污染等瓶頸問(wèn)題，是國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃的要求。針對(duì)過(guò)程的開發(fā)及優(yōu)化，郭慕孫院士［1］提出“過(guò)程工程”的概念，認(rèn)為以“三傳一反”為學(xué)識(shí)基礎(chǔ)的化學(xué)工程，其應(yīng)用對(duì)象已遠(yuǎn)超出了化學(xué)工程起家時(shí)的化學(xué)產(chǎn)品，并正在延伸到高新技術(shù)領(lǐng)域，其共同特征是物質(zhì)的物理和化學(xué)加工工藝。李洪鐘院士指出［2］，在化學(xué)工程向過(guò)程工程擴(kuò)展的過(guò)程中，往往涉及同時(shí)發(fā)生在很寬的時(shí)間和空間尺度上的現(xiàn)象，從分子化學(xué)鍵振動(dòng)的納秒（＜10-9s）到工業(yè)過(guò)程所需的幾天的時(shí)間尺度，從分子或顆粒的納米（10-9m）到工廠的米或千米（＞10m）的空間尺度。如果要控制某一尺度的現(xiàn)象，一般需要在另一尺度尋找可操作的手段，分子尺度到宏觀過(guò)程尺度的多尺度關(guān)聯(lián)勢(shì)在必行。這就對(duì)傳統(tǒng)的“三傳一反”提出了新的挑戰(zhàn)。為此，李靜海院士［3］提出“多尺度”的概念，認(rèn)為結(jié)構(gòu)量化現(xiàn)已成為化學(xué)工程由經(jīng)驗(yàn)科學(xué)向量化科學(xué)過(guò)渡的關(guān)鍵，需要使用多尺度的方法，來(lái)描述微觀、介觀和宏觀上的物理變化。通過(guò)上述分析可以看出，納米尺度下流體的微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來(lái)的各種特殊行為以及介觀尺度下界面處流體的傳遞與材料應(yīng)用時(shí)所發(fā)揮的功能密切相關(guān)，是各種復(fù)雜現(xiàn)象背后的機(jī)理所在，一旦弄清受限流體的行為對(duì)于材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用都是意義非凡的。從本質(zhì)上說(shuō)，對(duì)于具有大比表面積的固體材料，其界面處流體分子的數(shù)量在流體分子總數(shù)目中的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)材料，而當(dāng)流體分子靠近界面處時(shí)就會(huì)形成一種特殊的微觀結(jié)構(gòu)，這種微觀結(jié)構(gòu)下，由于空間的限制以及流體分子與固體表面的相互作用使得界面處流體不再連續(xù)，其性質(zhì)也異于體相流體的平均性質(zhì)。作者認(rèn)為材料化學(xué)工程的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題有兩個(gè)：納米尺度下流體的微結(jié)構(gòu)和介觀尺度下界面處流體的傳遞。這兩點(diǎn)也是建立介觀尺度下流體傳遞和反應(yīng)理論的基礎(chǔ)。納米尺度下的流體微結(jié)構(gòu)是研究介觀尺度下界面處流體傳遞行為的基礎(chǔ)。水通常被看作典型的流體。水的微結(jié)構(gòu)包含了納米受限下的水結(jié)構(gòu)、離子水化的水結(jié)構(gòu)、超臨界極端條件下的水結(jié)構(gòu)等。眾所周知，氯化鈉、氯化鈣等鹽類往往具有較高的熔點(diǎn)，需要近千度的高溫才能打破離子鍵使其融化。然而，這些鹽類卻在常溫常壓下的水中很容易就溶化了，是什么起到了打破離子鍵的作用？研究表明離子晶體溶于水后，離子周圍會(huì)被水分子包圍，正是這種被稱為“水化”的作用打破了離子鍵使得離子晶體可以穩(wěn)定地溶解于水溶液中。是不是這種“水化”作用在任何條件下都穩(wěn)定存在？若不是，那什么條件的改變可以調(diào)整這種水化作用的強(qiáng)弱呢？這些條件的改變是否存在一定規(guī)律，能夠建立相應(yīng)的熱力學(xué)函數(shù)關(guān)系呢？通過(guò)本書第2章中關(guān)于水化與締合的相關(guān)研究實(shí)例將告訴讀者，水化的作用是可以通過(guò)溫度調(diào)整的，而且還可以建立相應(yīng)的熱力學(xué)模型以便工業(yè)應(yīng)用。此外，作者的研究表明，此水化作用不僅對(duì)離子的溶解產(chǎn)生重要影響；同時(shí)它對(duì)水分子的結(jié)構(gòu)同樣存在不容忽視的作用。受到離子的吸引，水分子不再保持其原有的結(jié)構(gòu)，而是在離子周圍重新排布，表現(xiàn)出有別于純水的性質(zhì)[4。。。另一研究表明，納米受限下水分子的傳輸速率是體相中水分子傳輸速率的數(shù)十倍。這就是外界的作用（離子，界面，外場(chǎng)）使得水自身的氫鍵結(jié)構(gòu)被打破，水在媒介物（界面，離子等）附近形成低維的單分子層微結(jié)構(gòu)，它是非連續(xù)的，起到了關(guān)聯(lián)媒介物和體相水的作用，這種流體結(jié)構(gòu)的變化反映在納米尺度會(huì)對(duì)水的性質(zhì)和行為產(chǎn)生重大的影響。綜上，納米尺度下流體的微結(jié)構(gòu)受媒介性質(zhì)控制而同時(shí)又可以影響媒介物的功能。在材料最終的性能中起到了關(guān)鍵的作用。

編輯推薦

《材料化學(xué)工程中的熱力學(xué)與分子模擬研究》是華夏英才基金學(xué)術(shù)文庫(kù)之一。

圖書封面

評(píng)論、評(píng)分、閱讀與下載

---

    材料化學(xué)工程中的熱力學(xué)與分子模擬研究 PDF格式下載

---