《先进多孔材料概论》课程教学大纲

《先进多孔材料概论》教学大纲一、课程基本信息课程名称先进多孔材料概论IntroductiontoAdvancedPorousMaterial课程编码CHM123721020开课院部化学工程学院课程团队先进多孔材料概论教学团队学分2.0课内学时32讲授32实验0上机0实践0课外学时32适用专业化学工程与工艺授课语言中文、英文先修课程无机及分析化学、有机化学、物理化学（2-1）、物理化学（2-2）课程简介（限选）本课程主要面向对无（有）机合成、无机-有机杂化、晶体结构以及先进多孔材料前沿应用感兴趣的高年级本科生。多孔材料在能源、催化、化工、材料及环境领域应用广泛，是当前的研究前沿。本课程全面概述各类重要的无机多孔材料，并介绍必要的理论和表征方法。课程内容按照多孔材料发展的时间顺序编排：从大自然中天然存在的多孔材料开始；然后讲述微孔及介孔分子筛；接着讨论“21世纪”新生的先进多孔材料，包括PMOs（周期性介孔有机硅材料）、MOFs（金属有机框架材料）和COFs（共价有机框架材料）等。课程单独纳入了一个“理论”章节，深入浅出的介绍比表面积、孔体积、吸附、多相催化等与多孔材料密切相关的知识。其他一些“理论”知识点将结合相关材料适时引入，如在介绍分子筛时引入X射线晶体学知识，在介绍MOFs材料时提及透射电镜表征等。本课程能培养学生综合应用无机化学、有机化学、分析化学以及材料化学的相关知识，初步了解多孔材料、催化新材料、纳米材料等学术前沿，认识多孔材料在能源、化工、环境等可持续发展过程中的重要地位，为其从事化学、能源、催化、化工、材料或环境等方面的工作打下坚实的基础。通过学习本课程，希望学生能够从科学角度欣赏多孔材料的设计与合成之妙，从艺术角度领略微观世界的结构之美！Thiscoursediscussesthedevelopmentandapplicationsofporousmaterialssincetheirearlystartinthe1950suntilnow,themiddleof2020.Itisintendedforstudentsinterestedinmaterialsscienceattheundergraduatelevel,butitisalsointendedformasterstudentswhostarttheirresearchinthefieldofporousmaterials.Thiscourseprovidesacompleteandcomprehensiveoverviewofthemostimportantinorganicporousmaterials,combinedwiththenecessarytheoryandcharacterizationmethods.Thechaptersinthiscoursearealmostchronological,startingwithnature’smaterials,andthenfollowedbythezeolites,silicasandaluminas.Afterthat,wediscussthematerialsofthetwenty-firstcentury;PMOs(PeriodicMesoporousOrganosilicas),MOFs(Metal-OrganicFrameworks),andCOFs(CovalentOrganicFrameworks).Wehaveincludedone“theoretical”chapter,providingthereaderwithasolidintroductiontothemodelsofadsorption,heterogeneouscatalysis,andsurfaceareaandporevolumemeasurements.Webelievethatthischapterisnecessarytobeabletounderstandtherestofthebook.Wehavemadethechoicetointegrateothertheoreticalsectionsinthematerialschaptersatthepointwhereweneedthesetechniquesfirst.So,solidstateinfraredspectroscopyisdiscussedinthesilicachapter,XRD(X-RayDiffraction)inthezeolitechapter,TEM(transmissionelectronmicroscopy)intheMOFchapter,andsoon.Theyear1999wasamagicalone;inthatyear,manysyntheticnewclassesofporousmaterialswerereported,includingtheveryfamousMOFsandthePMOs.Thesematerialsarereferredtoashybridmaterials,astheycontainbothinorganicandorganicfunctionalities.ThebookendswiththeCOFs.Thesearebasicallyorganicmaterials,butareoftenresearchedininorganicgroups,illustratingthatthedivisions“organic,”“inorganic,”and“analytical”becomemoreandmoreobsoleteinmodernscience.Wehopeyouwillenjoythiscourseandthatyouwilllearnalotfromit.负责人大纲执笔人审核人二、课程目标序号代号课程目标OBE毕业要求指标点任务自选1M1目标1：掌握各种多孔材料的分类和结构特点，了解其合成方法，熟悉不同多孔材料的性能、了解其在离子交换、吸附、分离及催化等领域的应用。是2M2目标2：目标2：了解X射线衍射、固体核磁、红外、透射电镜等分析方法在多孔材料表征中的应用，掌握基本的工作原理是3M3目标3：碰触多孔材料、催化新材料、纳米材料等学术前沿，认识多孔材料在能源、化工、环境等可持续发展过程中的重要地位是三、课程内容序号章节号标题课程内容/重难点支撑课程目标课内学时教学方式课外学时课外环节1第一章奇妙的微观世界：天然多孔材料的科学价值与结构之美本章重点介绍若干精选的天然多孔材料，旨在让学生领略到大自然巧夺天工的魅力，同时让学生意识到人工合成多孔材料的重要性与必要性。////21.11.1鲜活的多孔材料蝴蝶、海藻、竹叶等生物的微观结构0.5讲授//31.21.2天然的粘土矿物土壤的微观结构0.5讲授//4第二章吸附、催化与“孔道”介绍多孔材料时，难免提及有关材料在吸附、分离、多相催化等领域的应用。为使学生更好的理解有关知识点，本章简要介绍关于吸附与催化的基础知识，着重讲述物理吸附、化学吸附。难点在于理解吸附、多相催化与材料比表面积、孔道结构之间密不可分的关系。////52.12.1多孔材料表面吸附的经典模型物理吸附、化学吸附、Langmuir吸附模型、BET吸附模型2讲授//62.22.2多孔材料比表面与孔结构分析Kelvin方程、Halsey方程、BJH方法、吸附等温线、吸附滞后回环、t-plot方法1讲授//72.32.3多相催化概述均相催化、多相催化、酶催化、活性、选择性、收率、空速、转化频率等概念2讲授//82.42.4面向化学工业的绿色可持续发展绿色化学概念、原子效率、可持续发展1讲授//92.52.5多相催化反应动力学概述多相催化反应的基本步骤、单分子反应、双分子反应的Langmuir–Hinshelwood机理以及Eley–Rideal机理1讲授//102.62.6扩散现象扩散的分类、Thiele模数、扩散效率因子1讲授//11第三章沸石分子筛及类分子筛无机框架结构化合物“结构决定性质”，要充分了解分子筛的性质及用途，需要深入认识分子筛的晶体结构。结合X射线衍射原理来理解分子筛晶体的晶向、晶面及其表达方式是本章的难点。本章重点结合分子筛的骨架结构特点来介绍介绍分子筛在离子交换、水处理、催化裂化、异构化、甲醇制烯烃、生物质转化、气体吸附与纯化、费托合成、二氧化碳转化等方向的应用。////123.13.1晶面和晶向晶面、晶向、晶胞1讲授//133.23.2X射线衍射X射线衍射基本原理、布拉格方程1讲授//143.33.3分子筛晶体结构分子筛晶体结构组成单元、分子筛拓扑结构、分子筛骨架组成元素、分子筛孔道结构2讲授//153.43.4分子筛应用简介离子交换、水处理、分子筛供热与制冷、分子筛催化裂化（加氢、异构化）、（CO2、CH4等）能源小分子转化、生物质转化、分子筛膜2讲授//163.53.5固体核磁简介固体核磁基本原理、固体核磁在分子筛研究中的应用1讲授//17第四章普通二氧化硅与有序介孔分子筛材料本章重点介绍有序介孔二氧化硅材料的结构、性质及其在多相催化、吸附、药物输送、low-K材料等领域的先进应用。二氧化硅制备过程中的溶胶-凝胶化学是本章的难点。////184.14.1二氧化硅合成方法简介硅溶胶、凝胶、水解、缩合、老化等基本概念1.5讲授//194.24.2二氧化硅的表面结构硅羟基窝、缺陷、无定型物质0.5讲授//204.34.3傅里叶变换红外光谱简介红外光谱基本原理、常见红外技术及应用简介1讲授//214.44.4有序介孔分子筛材料—Mobil公司引发的产业革命MCMs材料的诞生历史、MCMs材料壁厚控制、SBA介孔有序材料、介孔有序材料孔径调控方法2讲授//224.54.5有序介孔分子筛材料前沿应用简介有序介孔材料在多相催化、吸附、药物输送、low-K材料等领域的先进应用1讲授//23第五章多孔碳材料简介本章重点介绍几种常见的多孔碳材料，简要介绍其在吸附、分离、催化、储能等领域的应用。////245.15.1活性炭材料活性炭材料制备及物理、化学活化方法0.5讲授//255.25.2介孔碳材料合成介孔碳材料的硬模板剂法及软模板剂法、材料的后处理改性0.5讲授//265.35.3纳米碳材料富勒烯、碳纳米管、石墨烯0.5讲授//275.45.4多孔碳材料的应用举例碳材料用于污染治理、多相催化及储能0.5讲授//28第六章周期性介孔有机硅材料（PMOs）本章简要介绍PMOs材料的合成方法及其一般性质（孔道结构调控、水热稳定性、热稳定性以及化学稳定性等），着重介绍PMOs材料目前的应用情况。////296.16.1PMOs合成方法简介介绍前驱体、结构导向剂、添加剂、合成条件（温度、pH、反应时间等）对PMOs材料的影响0.5讲授//306.26.2PMOs重要性质简介孔道结构调控方法、热以及水热稳定性、化学稳定性等0.5讲授//316.36.3PMOs的后处理改性及功能化结构不饱和键的功能化、双键的环氧化、芳香环的后处理改性0.5讲授//326.46.4PMOs的应用简介PMOs在多相催化、吸附等领域的应用举例0.5讲授//33第七章金属有机框架材料（MOFs）本章重点介绍几种常见的MOF材料，介绍其合成方法，讨论其功能，并介绍MOF材料在气体存储与分离、催化、发光等领域的应用。////347.17.1前言：有机无机杂化新时代MOF材料的诞生0.5讲授//357.27.2常见MOF材料简介MIL-53、MIL-101、UiO-66等“明星”MOF材料的简介0.5讲授//367.37.3MOF材料的制备方法水热及溶剂热合成方法、微波辅助合成法、电化学合成、高通量合成1讲授//377.47.4MOF材料的应用简介MOF材料在气体存储与分离、催化、发光等领域的应用1讲授//387.57.5透射电镜电子衍射、明场像、高分辨透射电镜、扫描-透射显微镜、电子能量损失谱、X射线能谱、高分辨透射电镜电子断层成像1讲授//39第八章共价有机框架材料（COFs）本章简要介绍COFs材料的分类及性质，重点介绍三类COF材料的合成方法及其基本性质，对比COFs与MOFs材料的各自优势与不同。////408.18.1共价有机框架材料的性质与分类COFs材料简介与分类、COFs与MOFs的对比、Yaghi的贡献0.5讲授//418.28.2硼基共价有机框架材料硼基COFs材料的主要合成方法及其应用举例0.5讲授//428.38.3亚胺键共价有机框架材料亚胺键COFs材料的主要合成方法及其应用举例0.5讲授//438.48.4共价三嗪框架材料（CTFs）CTFs材料的主要合成方法及其应用举例0.5讲授//四、考核方式序号考核环节操作细节总评占比1平时作业1.每周布置2~3道题目，平均每次课1道题以上。2.成绩采用百分制，根据作业完成准确性、是否按时上交评分。20%2大作业1.本课程要求根据老师指定的选题撰写文献调研报告，或者对指定的英文文献进行英译汉的翻译。2.根据论文写作的规范性、专业性、（翻译的）准确性等进行评分。20%3期末考试1.开卷考试，成绩采用百分制，卷面成绩总分100分。3.主要考核学生对与多孔材料相关的基本知识的掌握能力，学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力，题型主要有填空题、简答题、分析题、计算题等。50%4考勤随机点名、刷卡点名等5%5课堂表现随机检查学生上课精神状态、回答问题情况5%五、评分细则序号课程目标考核环节大致占比评分等级1M1平时作业10%A-按时提交作业，基本知识点理解无误。B-按时提交作业，基本知识点理解存在少量错误。2M1大作业20%[A,B,C,D]=[90-100,75-89,60-74,0-59]3M1期末考试40%[A,B,C,D]=[90-100,75-89,60-74,0-59]4M1考勤10%A-缺勤2次以内。B-缺勤3次及以上且很少参加课堂讨论。5M1课堂表现20%[A,B,C,D]=[90-100,75-89,60-74,0-59]6M2平时作业10%A-按时提交作业，基本知识点理解无误。B-按时提交作业，基本知识点理解存在少量错误。7M2大作业20%（见大作业评分标准）8M2期末考试40%（见试卷评分标准）9M2考勤10%A-缺勤2次以内。B-缺勤3次及以上且很少参加课堂讨论。10M2课堂表现20%（见课堂表现评分标准）11M3平时作业10%A-按时提