化学工程在新型材料合成中的绿色制备策略

化学工程在新型材料合成中的绿色制备策略

郭涛    杨昌进

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摘要

化学工程在新型材料合成中扮演着至关重要的角色，尤其是在绿色制备策略方面。近年来，随着人们对环境保护意识的提高，以及对可持续发展的重视，化学工程领域不断探索更加环保、高效的材料合成方法。本文将重点探讨化学工程在新型材料合成中的绿色制备策略，并结合相关研究成果进行分析。

关键词: 绿色化学, 材料合成, 化学工程, 可持续性, 催化

1 引言

新型材料的合成与应用是推动科技进步和社会发展的重要引擎， 随着对环境保护和可持续发展的日益重视，绿色化学理念在材料合成领域得到广泛应用。 绿色制备策略旨在减少环境污染，提高资源利用效率，实现材料合成过程的环保化和可持续化。化学工程作为材料合成研究的重要支撑学科，在绿色制备策略的实施中发挥着关键作用。

2 新型材料合成中的绿色制备策略

2.1 绿色溶剂和反应介质

新型材料合成过程中，溶剂和反应介质的选择对环境影响巨大。传统的有机溶剂往往具有高毒性、高挥发性、易燃易爆等缺点，对环境造成严重污染。因此，开发绿色溶剂和反应介质，实现材料合成的绿色化，成为化学工程领域的重要研究方向。近年来，离子液体、超临界流体和水等绿色溶剂和反应介质在新型材料合成中得到广泛应用。离子液体具有低蒸汽压、高热稳定性、良好的溶解能力等优点，可作为反应介质和催化剂，在金属纳米材料、聚合物材料等合成中展现出优异的性能。

2.2 绿色催化剂

绿色催化剂在新型材料合成中扮演着至关重要的角色，其能够在温和条件下高效催化反应，减少环境污染，提高资源利用率。近年来，绿色催化剂领域取得了显著进展，涌现出多种新型催化剂，例如生物催化剂、纳米催化剂和金属有机框架材料等。生物催化剂，如酶，具有高度的专一性和催化效率，能够在温和条件下催化复杂反应，并可用于合成多种生物基材料。纳米催化剂，由于其高表面积和独特的电子性质，在催化反应中表现出优异的活性。金属有机框架材料，具有可调控的孔隙结构和丰富的活性位点，在催化领域展现出巨大潜力。绿色催化剂的研发将继续朝着提高催化效率、降低成本、增强稳定性和可持续性方向发展，为新型材料的绿色合成提供更强大的技术支撑。

2.3 绿色合成工艺

绿色合成工艺在新型材料合成中扮演着越来越重要的角色，旨在减少环境污染、提高资源利用率，并降低生产成本。近年来，化学工程领域涌现出多种绿色合成工艺，例如微波辅助合成、超声波辅助合成、电化学合成等，为新型材料的绿色制备提供了新的途径。

微波辅助合成利用微波辐射的能量，直接作用于反应物分子，提高反应速率，缩短反应时间，并降低能耗。例如，文献[3]中利用快速循环温度变化的策略，结合超快冷却技术，成功合成了高熵合金纳米粒子，其催化性能优于传统的贵金属催化剂。

超声波辅助合成利用超声波的空化效应，产生高能量的微气泡，促进反应物之间的接触和混合，提高反应效率。利用生物质废弃物和生物炭作为原料，通过水热碳化和KOH活化，制备了具有高表面积、优异导电性和电化学性能的生物基电极材料。

电化学合成利用电化学反应，在温和条件下合成材料，避免了传统化学合成中高温、高压和有害试剂的使用。电化学氮还原反应 (e-NRR) 的最新进展，并介绍了各种新型电催化剂，包括贵金属基材料、单原子催化剂、非贵金属及其化合物以及无金属材料，为高效合成氨提供了新的思路。绿色合成工艺的应用，不仅可以提高新型材料的合成效率和性能，还可以减少环境污染，促进可持续发展。未来，化学工程领域将继续探索和发展更加高效、环保的绿色合成工艺，为新型材料的绿色制备提供更多选择。

2.4 绿色分离和纯化

绿色分离和纯化技术在新型材料合成中扮演着至关重要的角色，能够有效降低能耗、减少污染，并提高产品纯度和收率。近年来，膜分离、超临界流体萃取、结晶等技术在新型材料合成中的应用日益广泛。

膜分离技术利用膜的选择性透过性，将不同物质分离。例如，在金属纳米材料的合成中，膜分离技术可以有效去除反应体系中的杂质，提高纳米材料的纯度。

超临界流体萃取技术利用超临界流体的特殊性质，将目标物质从混合物中分离出来。超临界流体具有高溶解性和低粘度，能够有效地提取和分离目标物质，同时避免使用有机溶剂，符合绿色化学的理念。

结晶技术利用物质在不同温度下的溶解度差异，将目标物质从溶液中分离出来。结晶技术操作简单，成本低廉，在新型材料的合成和纯化中具有广泛的应用。

3 化学工程在新型材料合成中的应用案例

3.1 纳米材料

化学工程在纳米材料合成中发挥着至关重要的作用，为制备各种纳米结构材料提供了高效、可控的合成方法。例如，通过控制反应条件，化学工程可以合成不同尺寸、形貌和性质的纳米颗粒、纳米线和纳米管等。利用化学工程技术，可以实现对纳米材料的精准控制，例如通过控制反应温度、时间、反应物浓度和添加剂等因素，可以调控纳米材料的尺寸、形貌和表面性质。化学工程还可以将纳米材料与其他材料进行复合，从而赋予材料新的功能和性能。化学工程在纳米材料合成中的应用，为开发新型材料提供了广阔的应用前景，例如在能源、环境、生物医药等领域。

3.2 高分子材料

化学工程在高分子材料合成中发挥着重要作用，例如聚合物和复合材料的制备。 通过化学工程手段，可以实现对高分子材料的结构和性能进行精确控制，从而满足不同应用场景的需求。例如，利用化学工程技术可以合成具有特定功能的聚合物，例如导电聚合物、生物降解聚合物等。化学工程还可以用于制备高性能复合材料，例如碳纤维增强树脂基复合材料、纳米复合材料等。 这些复合材料具有优异的机械性能、热性能和电性能，在航空航天、汽车制造、电子信息等领域具有广泛的应用前景。

3.3 无机材料

化学工程在无机材料合成中发挥着重要作用，例如陶瓷、玻璃和金属材料的制备。化学工程原理和技术可以优化无机材料的合成过程，提高材料的性能和效率。例如，在陶瓷材料的合成中，化学工程可以控制反应温度、压力和时间，以获得具有特定结构和性能的陶瓷材料。在玻璃材料的合成中，化学工程可以控制原料的配比和熔融过程，以获得具有特定光学、机械和化学性能的玻璃材料。 在金属材料的合成中，化学工程可以控制金属的熔炼、铸造和加工过程，以获得具有特定强度、韧性和耐腐蚀性的金属材料。化学工程还可以开发新的合成方法，例如利用生物质废弃物制备无机材料，以实现绿色可持续发展。

4 结束语

生物催化技术将得到更广泛的应用，例如利用微生物或酶催化合成材料，减少化学试剂的使用，提高反应效率和选择性 。超临界流体技术将成为一种重要的绿色合成方法，利用超临界流体的独特性质，实现高效、环保的材料合成 。化学工程将在智能材料合成中发挥重要作用，例如开发自修复材料，提高材料的耐久性和使用寿命 。形状记忆材料将应用于更广泛的领域，例如医疗器械、航空航天等 。化学工程将致力于推动可持续发展，例如开发利用生物质资源合成材料，减少对石油资源的依赖。同时，化学工程将不断探索减少环境污染、提高资源利用率的绿色合成方法，为构建可持续的社会做出贡献。

参考文献

[1]龚欣怡.材料化学工程的应用和发展趋势[J].造纸装备及材料. 2021,50(10):34-35;

[2]姚慧.材料化学工程的实践及未来发展分析 [J].化工设计通讯. 2019,45(10):65-103.