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公眾號：chem17
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通訊作者：
Hong-Gang Liao（廖洪鋼），廈門大學，廈門大學化學化工學院，固體表面物理化學國家重點實驗室
Hui Li（李暉），北京化工大學，軟物質(zhì)科學與工程高精尖創(chuàng)新中心
作者：Peng Xue（薛鵬）, Mi Qu（曲密）, Jie Shi（施杰）, Youhong Jiang（江友紅）, Nana He（何娜娜）, Tiqing Zhao（趙體清）, Shiwen Luo（羅時文）, Shiyuan Zhou（周詩遠）, Jia-Jun Zhang（張嘉俊）, Yong Luo（羅勇）, Guangwen Chu（初廣文）, Jian-Feng Chen（陳建峰）, Shi-Gang Sun（孫世剛）
背景介紹
傳質(zhì)是化學化工反應(yīng)過程中最基本的過程。對于大多數(shù)異相反應(yīng)，溶質(zhì)遷移過程包括從體相溶液遷移至表面及從表面遷移到體相溶液中，而這些過程通過對流和擴散行為來完成，并成為許多反應(yīng)的控速步驟。在微納孔道中的滯留液層與界面之間的傳質(zhì)過程決定催化、燃料電池和化學分離等過程中的反應(yīng)動力學。但是，由于微納介區(qū)域中的物質(zhì)分散過程尚無有效的手段對其進行直接觀測，表面滯留液層與流動流體之間的相互作用以及對傳質(zhì)過程的影響仍不明確。因此，開發(fā)新的研究方法實現(xiàn)高時空分辨率下的微納尺度上對微流體單元遷移過程的可視化觀測成為解決上述問題的關(guān)鍵。
圖1. 原位液相透射電鏡實驗裝置示意圖
文章亮點
近日，廈門大學廖洪鋼教授，北京化工大學李暉教授在Nano Letters上發(fā)表了關(guān)于微納通道中表面滯留液層活化及傳質(zhì)過程的原位液相透射電鏡研究。基于廖洪鋼課題組自主研發(fā)設(shè)計的原位納流控系統(tǒng)、原位TEM流體樣品桿、流體芯片等其它相關(guān)設(shè)備，shouci實現(xiàn)了在高時空分辨率下直接觀測多相接觸過程中微觀界面上的微流體單元遷移行為（圖1）。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在氣液相接觸過程初始階段，納米通道表面的滯留液層內(nèi)的溶質(zhì)濃度增加，且隨著表面薄層液體的黏度增加，微流體單元運動受到抑制而運動緩慢（圖2）。而在之后的氣液界面更新階段（圖3），位于滯留液層內(nèi)的微流體單元運動速度增加了兩個數(shù)量級，其運動軌跡也表現(xiàn)出無序混亂的特征。該流體單元遷移行為也與體相流體流動引起的遷移行為不一致。
圖2. 原位液相透射電鏡觀測微觀界面上微流體單元遷移行為
數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明在滯留液層內(nèi)部發(fā)生了劇烈的納米級對流，且該納米級對流的出現(xiàn)與氣液界面更新過程中溶質(zhì)的分布與遷移直接相關(guān)。因為在氣液相接觸初始階段，在表面薄層液體內(nèi)部形成了相比于體相更高的濃度，所以會在氣液界面更新時會形成一個由濃度差引起的液-液界面。MD模擬研究表明兩個納米級液層之間的濃度變化產(chǎn)生的化學勢差會導致薄層液體內(nèi)部發(fā)生劇烈的納米級對流，這與之前發(fā)現(xiàn)的表面滯留液層內(nèi)部的納米級對流吻合（圖4）。由此可以得出，滯留液層在氣液界面更新過程中被活化，內(nèi)部出現(xiàn)了快速的流體流動，進而可增強固液界面上的傳質(zhì)過程。
圖3. 氣液界面更新示意圖
圖4. MD模擬滯留液層中的納米級對流
總結(jié)/展望
研究團隊成功開發(fā)了用于觀測微納尺度流體流動及傳質(zhì)過程的原位液相透射電鏡相關(guān)設(shè)備，并發(fā)現(xiàn)了由液-液界面化學勢差引起的表面滯留液層活化過程，為多相反應(yīng)中的傳質(zhì)增強過程提供了新的認識。該工作實現(xiàn)了高時空分辨率下可視化觀測微觀流體流動及微觀界面的復(fù)雜變化過程，為研究化學化工反應(yīng)中微納尺度的傳質(zhì)過程及相關(guān)化學反應(yīng)提供了新的研究手段。相關(guān)論文發(fā)表在Nano Letters上，廈門大學博士研究生薛鵬、廈門大學碩士研究生曲密和北京化工大學博士研究生施杰為文章的第一作者，廖洪鋼教授和李暉教授為通訊作者。
通訊作者信息：
廖洪鋼 教授
廖洪鋼教授于2003年畢業(yè)于廈門大學，2011年在美國太平洋西北國家實驗室--廈門大學（中美聯(lián)合培養(yǎng)）攻讀博士學位，獲物理化學博士學位；2011年在美國勞倫斯伯克利國家實驗室擔任副研究員，2015年受聘為廈門大學化學系教授、博士生導師、閩江特聘教授。研究成果發(fā)表在Science, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Nature comm.等多個國際著名期刊，同時也在國際著名出版社出版學術(shù)著作2本。任Nanomaterials、Materials等雜志編委。課題組致力于原位透射電鏡技術(shù)開發(fā)，引入光、電、力、熱、流體等多場耦合，主要從事納米材料生長過程、能源材料儲能過程、催化反應(yīng)歷程的原位液體氣體環(huán)境透射電鏡研究。
李暉 教授
李暉教授先后于2003年和2008年從南京大學基礎(chǔ)學科教學強化部和南京大學理論與計算研究所獲得學士和博士學位，此后在新加坡國立大學和美國內(nèi)布拉斯加大學林肯分校從事博士后研究工作，在2012年加入中國科學院物理研究所擔任副研究員。自2017年開始任職于北京化工大學軟物質(zhì)科學與工程高精尖創(chuàng)新中心擔任教授，主要從事理論與計算化學研究。研究成果在J. Am. Chem. Soc., Proc. Natl Acad. Sci. USA, Phys. Rev. Lett., ACS Nano, Nanoscale等國際學術(shù)期刊發(fā)表論文100余篇，被引用3000余次，ESI高被引文章3篇。李暉教授團隊目前主要的研究方向包括表面潤濕性和界面動力學、外延低維材料、氣溶膠科學和大氣化學、新型分子模擬方法的開發(fā)等。
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