微流体中基于界面反应诱导物系分离制备类原细胞微囊反应器

It is an important topic in Colloidal and Interfacial chemistry to prepare multifunctional assembled microcapusles by learning molecular transport and reaction mechanisms in biological system. In this project, we combine Chemistry, Physics and modern Micro-and Nano-technology. We deign the efficient heterogeneous reactors with controllable diffusion and catalytic property by using the following methods. First, we are using chemical kinetics and fluid mechanics as theoretical guidance. Then, we are using the mixture separation, which is induced by interfacial reactions, as a bridge. Finally, we construct the multifunctional microcapsule-reactors as material carriers to research the chemical problems. During the preparation and utilization process of microcapsule-reactors, the effect of the coupling of the chemical reaction and mass transport is throughout the research. Therefore, this project will couple both spatial structures and interfacial properties of the microcapsule-reactor. It will construct clear physical and chemical models for the reactions happening in the micrometer scale. It will also provide references for the development of cell-like microcapsule-reactor. The implementation of this project, on the one hand, can help us to explore a general and simple technique to fabricate high performance microcapsule-reactor for heterogeneous catalysis; on the other hand, will be beneficial for the research of the basic problems to gain a deeper understanding, such as mass transfer between interface and bulk phase, coupling of functions in multi-scales. These will provide valuable information for fabricating the other effective advanced assembled chemical system.

借鉴生物体系中的分子传输与反应机制，制备多重功能集成的微囊组装体是胶体和界面化学领域研究的重要课题。本项目将化学、物理与现代微纳技术相结合，以化学动力学和流体力学计算方法为理论指导，以基于界面反应的物系分离过程为桥梁，以多功能集成的微囊反应器为物质载体，来设计具有可控扩散和催化特性的高效多相微反应体系。在微囊反应器的制备和功能体现过程中，化学反应与物质迁移两个因素耦合的影响贯穿始终，从而将微囊的空间结构和界面性质耦合在一起，为微米尺度空间内的多相反应建立明确的物理和化学模型，为制备相应的类细胞微囊反应器提供依据。本项目的实施，一方面能够得到简单有效构建高性能微囊反应器的普适方法；另一方面，也将有利于对受限空间内物质在界面和体相的输运过程、多尺度间结构功能耦合等重要的基础性问题进行研究，获得更深层次的认识，为其他先进化学组装体系的制备提供有益信息。

微囊催化反应器融合了分子组装和多相催化等不同领域。微囊反应器可以为反应提供受限物理微空间和化学微环境，从而成为研究不同时-空尺度下物质形成与转化过程的有利工具，其结构的可控性和功能的多样性成为了当前的研究热点。传统的制备手段由于缺乏对单个微囊的控制，从而导致微囊单分散性差、功能单一、原料利用率低、难以原位观测等问题，这些都为此领域的后续发展带来障碍。因而发展高效的微囊制备技术成为了该领域的热点问题。过去四年，在“微流体中基于界面反应诱导物系分离制备类原细胞微囊反应器”项目的资助下，我们详细研究了微流体中两相流界面诱导物系分离过程制备微囊结构的反应动力学，微囊形成机制等，提出了普适性的微囊构筑方法，建立了类原细胞微囊反应器的物理化学模型，并通过调控两相流界面诱导物系分离过程构建了具备不同结构和能的微囊反应器，并将其应用于传感检测、污水处理、多相催化等领域。所提出的界面诱导物系分离过程不仅可以用于构筑和解释微囊反应器的形成过程，也可进一步拓展到流动光化学微反应器的能量传递与反应分离研究，以及新型功能纳米材料的制备。.围绕微囊反应器及界面反应诱导物系分离过程，在2019-2022年间，在国际重要学术期刊Nat. Commun., Adv. Sci., Cell Rep. Phys. Sci., ACS Appl. Mater. Interfaces上发表SCI论文32篇，授权中国专利8项。所发表的研究结果及提出的概念得到了国内外同行的广泛认可。