化学工程综合

金属有机骨架材料吸附去除环境污染物的进展

李小娟，何长发，黄斌，等

摘要：目的：金属有机骨架材料（MOFs）具有超高的比表面积、较高且可调的孔隙率、结构组成多样性、开放的金属位点、化学可修饰等优点，在选择性吸附领域尤其是环境污染物的选择性吸附领域中展现出广阔的应用前景。为了使MOFs 能在环境治理中得到进一步的推广应用，本文对其在液相吸附去除各种环境污染物方面的应用研究进展进行综述。方法：通过文献调查的方法，综述了近年来MOFs 在吸附去除水中的有机污染物、重金属离子以及吸附去除燃油中的有机含硫化合物（SCCs）和有机含氮化合物（NCCs）的应用研究进展，并讨论了不同MOFs 及改性MOFs 对目标污染物的吸附性能及吸附机理。结果：（1）MOFs 不仅能用于吸附去除水中的有机染料、环境优先有机污染物、药物及个人护理品、金属离子及放射性金属离子，也能用于去除燃油中的SCCs 和NCCs。（2）针对不同体系中的不同目标污染物，MOFs 材料的选择也不一样。对于水中的环境污染物，通常选用的是水相稳定的 MOFs，包括：MOF-253、MIL-101、MIL-100、MIL-53、ZIF-8 和UiO-66 及其改性材料；而对于燃油中的SCCs 和NCCs，MOFs 的选择范围更广，除了MIL 系列的被报道，还包括HKUST-1、CPO-27（Ni）、MOF-5、MOF-14、（Ln＝Sm，Eu，Tb，Y）-BTC（BTC 为均苯三甲酸）、IFMC-16及其改性材料等。（3）为了提升吸附材料的吸附性能，通常对MOFs 材料进行改性。如：对MOFs 中的有机配体氨基化后所得吸附剂对水中有机污染物（如亚甲基蓝、对硝基苯酚和吡啶）的吸附容量大大提高；对MOFs 中存在的配位不饱和的金属中心进行选择性配位功能化（如巯基化或磷酰脲化）可以提高对金属离子的吸附性能；将磷钨酸、离子液体、CuCl、Cu2O 等负载于MOFs上可以提升其对燃油中 SCCs 的吸附性能；AlCl3或 CuCl 改性的MOFs 对燃油中NCCs 的吸附容量增加。 （4）MOFs 的孔结构、开放的金属位点、静电吸附作 用、π-π 键合作用、氢键作用、酸碱吸附作用等都是影响吸附过程的重要参数或机理。结论：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 方面展现出广阔的应用前景。利用MOFs 吸附处理污染物时，为了增强MOFs 对目标污染物亲和力，通常对MOFs 进行一定的改性，而针对不同的MOFs 和目标污染物，其改性方法是不一样，因此对于MOFs 与 目标污染物的作用机理的研究将成为该研究领域的重点和难点，只有把作用机理研究透彻了，才能反过来指导MOFs 吸附剂的构建。

来源出版物：化工进展, 2016, 35(2): 586-594

入选年份：2016

界面接触热阻的研究进展

张平，宣益民，李强

摘要：目的：接触热阻（TCR）是系统热控制的一个重要参数，尤其在电子器件冷却、低温超导薄膜等需要进行热管理的领域扮演着至关重要的角色。接触热阻的形成机理十分复杂，受到多尺度多因素的影响，迄今为止仍未有令人满意的理论模型或经验公式可预测各种状况下的接触热阻。本文主要以接触热阻的传热机理、实验测量方法以及减小接触热阻的措施3 个方面介绍近年来国内外对接触热阻的最新研究成果和进展。对已报道的研究工作进行了总结并指出了今后的研究方向。传热机理：对于界面接触热阻这一特殊物理问题其理论研究既要从宏观上定量分析又要在微观上综合考虑声子、电子的散射和辐射等机理。在宏观上，研究者通常忽略界面间隙流体和表面辐射的影响，将真空下表面形貌不一致的界面接触热阻表达为：RC＝RL＋RS，其中RL为宏观面积上的热扩展、热收缩热阻；RS为界面间实际接触凸峰的接触热阻（有效微接触热阻）。给出了一致粗糙极限条件和弹性收缩极限条件形态假设，然而真实的界面接触情况通常在上述两极限之间。除接触表面形貌外，影响接触热阻的因素还包括材料的热物性、弹塑性、热流方向、表面硬度、温度、接触压力和间隙介质等，其涵盖几何学、热学、力学等多个学科。由于在微观热传导现象分析上，传统的基于宏观的傅里叶定律已经不再适用，近10 多年来许多学者提出了微/纳米尺度下的传热理论，研究的对象主要为声子、电子、光子等能量载子。对界面接触热阻的微观研究理论主要有界面热阻边界层模型（ILM）、声失配理论（AMM）、散射中介声失配模型（SMAMM）、散射失配理论（DMM）及其拓展的点频散射失配理论（JFDMM）、部分镜面反射和部分漫散射复合模型（PSPD）以及热波模型等。测试方法：在工程上，接触热阻通常通过实验表征来研究和获取相关信息，为常用铝合金材料的接触热导与界面接触压力的关系曲线，如Yovanovich 等学者所建立的各种理论研究模型和经验公式都是通过大量的实验研究来建立和验证的。根据实验热流是否随时间而变化，一般把接触热阻测量方法分为稳态法和瞬态法。而且稳态法的使用是最为普遍的，其测试方法和设备多是基于美国国家标准ASTM D5470-06。瞬态法则主要利用光、声、热等效应间接的对样品界面进行无损测量。此外，在微/纳米尺度的界面传热测量方法主要有瞬态热反射法（TTR）和3ω 法等。减小接触热阻：为增强界面间的热传递一般可以采取增加接触压力、减小表面粗糙度、提高平整度等措施。表面处理技术如对接触表面进行金属涂层处理或者使用热界面材料（TIMs）也可有效的减小接触热阻。其中热界面材料的研究与应用也非常广泛，分别呈现了TIM 中碳纳米管（CNTs）掺杂比例对接触热导的影响和碳纳米管单独作为界面材料的研究。结果表明，新型热界面材料如掺杂了自身具有高热导率的碳基材料是具有相当创造性和潜力的减少接触热阻的方法。未来发展：界面接触热阻的研究是诸多学科的基础科学，准确的实验测量和理论预测各种材料间的接触热阻对界面热耗散、界面材料等的研究影响深远。对于界面接触热阻这一特殊物理问题，其理论既要从宏观上定量分析又要在微观上综合考虑声子、电子的散射、辐射等机理；在实验方面，目前的测量精度有待提高，实验测量工作有待进一步完善；在减小接触热阻方面，除常用的方法外，可以通过在接触表面生长新型的高性能导热材料（碳纳米管等）来实现。

来源出版物：化工学报, 2012, 63(2): 335-349

入选年份：2017