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。

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(duì)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(dòng)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(huì)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(guò)分子動(dòng)量傳遞作用于高斯曲面，最終體現(xiàn)為液體分子對(duì)納米顆粒表面的定向吸附驅(qū)動(dòng)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(wàn)方程計(jì)算不同高斯曲面腔體內(nèi)的飽和蒸汽壓，通過(guò)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(dòng)態(tài)平衡橋梁。

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(duì)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(guò)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(dòng)量傳遞，進(jìn)而加速脫附過(guò)程。因此，通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)納米反應(yīng)器的高斯曲率，可動(dòng)態(tài)調(diào)和其內(nèi)部與外部壓力，最終達(dá)成對(duì)分子吸附-脫附過(guò)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(jí)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(jí)。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(duì)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(dòng)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(dòng)，傳質(zhì)效率受限。

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(duì)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(dòng)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)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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編輯 ：郭佳欣

校對(duì) ：紀(jì)欣

責(zé)編 ：張書(shū)寧

初審 ：武濤 伊如樂(lè)

復(fù)審 ：李文娟

終審 ：阿茹娜