【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院鄭安民研究團(tuán)隊在沸石分子篩擴(kuò)散領(lǐng)域取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊結(jié)合多尺度理論模擬和實驗研究發(fā)現(xiàn)分子篩限域孔道中存在反常的“熱阻效應(yīng)”。相關(guān)研究成果發(fā)表在PNAS上。
溫度越高熱運動越劇烈，擴(kuò)散越快，通常滿足Arrhenius公式Ds = D0 * exp (-Ea/RT )：擴(kuò)散系數(shù)和溫度成正相關(guān)。然而，科研人員通過系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，在沸石分子篩限域孔道內(nèi)出現(xiàn)了違反該常識的現(xiàn)象：隨著溫度升高，長鏈分子(如正十二烷烴)在ZSM-5等分子篩限域孔道中擴(kuò)散系數(shù)逐漸減慢(圖a)。分子動力學(xué)理論模擬發(fā)現(xiàn)，溫度升高促使長鏈分子彎曲，形變加劇，從而增加了分子篩孔壁與吸附分子之間的相互作用，擴(kuò)散阻力隨之增加(圖b)，因而呈現(xiàn)出擴(kuò)散系數(shù)與溫度之間的負(fù)相關(guān)，即 “熱阻效應(yīng)”。
“熱阻”是指物體對熱量傳導(dǎo)的阻礙效果。該研究將“熱阻”概念引入到傳質(zhì)過程中，發(fā)現(xiàn)“熱阻效應(yīng)”引起分子篩反常的擴(kuò)散需要滿足以下兩個條件。吸附分子需要有一定的長度和柔性，其分子鏈長和彎曲程度隨溫度呈現(xiàn)明顯變化。該類反常擴(kuò)散現(xiàn)象需要特定的限域環(huán)境。只有當(dāng)孔徑與高溫下長鏈分子形變后的維度接近時，“熱阻效應(yīng)”導(dǎo)致的反常擴(kuò)散現(xiàn)象才會呈現(xiàn)。而在氣相或在孔徑較大的多孔材料中呈現(xiàn)正常的擴(kuò)散現(xiàn)象(溫度越高擴(kuò)散越快)，不易發(fā)生此類反常現(xiàn)象(圖c)。該研究豐富了反常擴(kuò)散的種類，揭示了高溫下長鏈烷烴擴(kuò)散受阻的微觀機(jī)理，對于分子篩催化反應(yīng)條件選擇和優(yōu)化具有重要指導(dǎo)意義。
精密測量院博士研究生袁家敏為論文第一作者，特別研究助理/博士后劉志強(qiáng)和研究員鄭安民為論文通訊作者。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、中科院及湖北省科技廳的支持。
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