化學(xué)工程綜合

金屬有機(jī)骨架材料吸附去除環(huán)境污染物的進(jìn)展

李小娟，何長(zhǎng)發(fā)，黃斌，等

摘要：目的：金屬有機(jī)骨架材料（MOFs）具有超高的比表面積、較高且可調(diào)的孔隙率、結(jié)構(gòu)組成多樣性、開(kāi)放的金屬位點(diǎn)、化學(xué)可修飾等優(yōu)點(diǎn)，在選擇性吸附領(lǐng)域尤其是環(huán)境污染物的選擇性吸附領(lǐng)域中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。為了使MOFs 能在環(huán)境治理中得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用，本文對(duì)其在液相吸附去除各種環(huán)境污染物方面的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。方法：通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)查的方法，綜述了近年來(lái)MOFs 在吸附去除水中的有機(jī)污染物、重金屬離子以及吸附去除燃油中的有機(jī)含硫化合物（SCCs）和有機(jī)含氮化合物（NCCs）的應(yīng)用研究進(jìn)展，并討論了不同MOFs 及改性MOFs 對(duì)目標(biāo)污染物的吸附性能及吸附機(jī)理。結(jié)果：（1）MOFs 不僅能用于吸附去除水中的有機(jī)染料、環(huán)境優(yōu)先有機(jī)污染物、藥物及個(gè)人護(hù)理品、金屬離子及放射性金屬離子，也能用于去除燃油中的SCCs 和NCCs。（2）針對(duì)不同體系中的不同目標(biāo)污染物，MOFs 材料的選擇也不一樣。對(duì)于水中的環(huán)境污染物，通常選用的是水相穩(wěn)定的 MOFs，包括：MOF-253、MIL-101、MIL-100、MIL-53、ZIF-8 和UiO-66 及其改性材料；而對(duì)于燃油中的SCCs 和NCCs，MOFs 的選擇范圍更廣，除了MIL 系列的被報(bào)道，還包括HKUST-1、CPO-27（Ni）、MOF-5、MOF-14、（Ln＝Sm，Eu，Tb，Y）-BTC（BTC 為均苯三甲酸）、IFMC-16及其改性材料等。（3）為了提升吸附材料的吸附性能，通常對(duì)MOFs 材料進(jìn)行改性。如：對(duì)MOFs 中的有機(jī)配體氨基化后所得吸附劑對(duì)水中有機(jī)污染物（如亞甲基藍(lán)、對(duì)硝基苯酚和吡啶）的吸附容量大大提高；對(duì)MOFs 中存在的配位不飽和的金屬中心進(jìn)行選擇性配位功能化（如巰基化或磷酰脲化）可以提高對(duì)金屬離子的吸附性能；將磷鎢酸、離子液體、CuCl、Cu2O 等負(fù)載于MOFs上可以提升其對(duì)燃油中 SCCs 的吸附性能；AlCl3或 CuCl 改性的MOFs 對(duì)燃油中NCCs 的吸附容量增加。 （4）MOFs 的孔結(jié)構(gòu)、開(kāi)放的金屬位點(diǎn)、靜電吸附作 用、π-π 鍵合作用、氫鍵作用、酸堿吸附作用等都是影響吸附過(guò)程的重要參數(shù)或機(jī)理。結(jié)論：MOFs 在吸附去除水中的有毒有害污染物以及吸附去除燃油中的SCCs和NCCs 方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。利用MOFs 吸附處理污染物時(shí)，為了增強(qiáng)MOFs 對(duì)目標(biāo)污染物親和力，通常對(duì)MOFs 進(jìn)行一定的改性，而針對(duì)不同的MOFs 和目標(biāo)污染物，其改性方法是不一樣，因此對(duì)于MOFs 與 目標(biāo)污染物的作用機(jī)理的研究將成為該研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)，只有把作用機(jī)理研究透徹了，才能反過(guò)來(lái)指導(dǎo)MOFs 吸附劑的構(gòu)建。

來(lái)源出版物：化工進(jìn)展, 2016, 35(2): 586-594

入選年份：2016

界面接觸熱阻的研究進(jìn)展

張平，宣益民，李強(qiáng)

摘要：目的：接觸熱阻（TCR）是系統(tǒng)熱控制的一個(gè)重要參數(shù)，尤其在電子器件冷卻、低溫超導(dǎo)薄膜等需要進(jìn)行熱管理的領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色。接觸熱阻的形成機(jī)理十分復(fù)雜，受到多尺度多因素的影響，迄今為止仍未有令人滿意的理論模型或經(jīng)驗(yàn)公式可預(yù)測(cè)各種狀況下的接觸熱阻。本文主要以接觸熱阻的傳熱機(jī)理、實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法以及減小接觸熱阻的措施3 個(gè)方面介紹近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)接觸熱阻的最新研究成果和進(jìn)展。對(duì)已報(bào)道的研究工作進(jìn)行了總結(jié)并指出了今后的研究方向。傳熱機(jī)理：對(duì)于界面接觸熱阻這一特殊物理問(wèn)題其理論研究既要從宏觀上定量分析又要在微觀上綜合考慮聲子、電子的散射和輻射等機(jī)理。在宏觀上，研究者通常忽略界面間隙流體和表面輻射的影響，將真空下表面形貌不一致的界面接觸熱阻表達(dá)為：RC＝RL＋RS，其中RL為宏觀面積上的熱擴(kuò)展、熱收縮熱阻；RS為界面間實(shí)際接觸凸峰的接觸熱阻（有效微接觸熱阻）。給出了一致粗糙極限條件和彈性收縮極限條件形態(tài)假設(shè)，然而真實(shí)的界面接觸情況通常在上述兩極限之間。除接觸表面形貌外，影響接觸熱阻的因素還包括材料的熱物性、彈塑性、熱流方向、表面硬度、溫度、接觸壓力和間隙介質(zhì)等，其涵蓋幾何學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等多個(gè)學(xué)科。由于在微觀熱傳導(dǎo)現(xiàn)象分析上，傳統(tǒng)的基于宏觀的傅里葉定律已經(jīng)不再適用，近10 多年來(lái)許多學(xué)者提出了微/納米尺度下的傳熱理論，研究的對(duì)象主要為聲子、電子、光子等能量載子。對(duì)界面接觸熱阻的微觀研究理論主要有界面熱阻邊界層模型（ILM）、聲失配理論（AMM）、散射中介聲失配模型（SMAMM）、散射失配理論（DMM）及其拓展的點(diǎn)頻散射失配理論（JFDMM）、部分鏡面反射和部分漫散射復(fù)合模型（PSPD）以及熱波模型等。測(cè)試方法：在工程上，接觸熱阻通常通過(guò)實(shí)驗(yàn)表征來(lái)研究和獲取相關(guān)信息，為常用鋁合金材料的接觸熱導(dǎo)與界面接觸壓力的關(guān)系曲線，如Yovanovich 等學(xué)者所建立的各種理論研究模型和經(jīng)驗(yàn)公式都是通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究來(lái)建立和驗(yàn)證的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)熱流是否隨時(shí)間而變化，一般把接觸熱阻測(cè)量方法分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。而且穩(wěn)態(tài)法的使用是最為普遍的，其測(cè)試方法和設(shè)備多是基于美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ASTM D5470-06。瞬態(tài)法則主要利用光、聲、熱等效應(yīng)間接的對(duì)樣品界面進(jìn)行無(wú)損測(cè)量。此外，在微/納米尺度的界面?zhèn)鳠釡y(cè)量方法主要有瞬態(tài)熱反射法（TTR）和3ω 法等。減小接觸熱阻：為增強(qiáng)界面間的熱傳遞一般可以采取增加接觸壓力、減小表面粗糙度、提高平整度等措施。表面處理技術(shù)如對(duì)接觸表面進(jìn)行金屬涂層處理或者使用熱界面材料（TIMs）也可有效的減小接觸熱阻。其中熱界面材料的研究與應(yīng)用也非常廣泛，分別呈現(xiàn)了TIM 中碳納米管（CNTs）摻雜比例對(duì)接觸熱導(dǎo)的影響和碳納米管單獨(dú)作為界面材料的研究。結(jié)果表明，新型熱界面材料如摻雜了自身具有高熱導(dǎo)率的碳基材料是具有相當(dāng)創(chuàng)造性和潛力的減少接觸熱阻的方法。未來(lái)發(fā)展：界面接觸熱阻的研究是諸多學(xué)科的基礎(chǔ)科學(xué)，準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論預(yù)測(cè)各種材料間的接觸熱阻對(duì)界面熱耗散、界面材料等的研究影響深遠(yuǎn)。對(duì)于界面接觸熱阻這一特殊物理問(wèn)題，其理論既要從宏觀上定量分析又要在微觀上綜合考慮聲子、電子的散射、輻射等機(jī)理；在實(shí)驗(yàn)方面，目前的測(cè)量精度有待提高，實(shí)驗(yàn)測(cè)量工作有待進(jìn)一步完善；在減小接觸熱阻方面，除常用的方法外，可以通過(guò)在接觸表面生長(zhǎng)新型的高性能導(dǎo)熱材料（碳納米管等）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

來(lái)源出版物：化工學(xué)報(bào), 2012, 63(2): 335-349

入選年份：2017