近日，我校化工學(xué)院膜科學(xué)與工程許振良教授團(tuán)隊，與美國約翰霍普金斯大學(xué)、普林斯頓大學(xué)等單位合作，開發(fā)了一套原子層沉積（ALD）反應(yīng)器多尺度模型，可用于預(yù)測ALD反應(yīng)器尺度高真空流體流動、傳熱、傳質(zhì)過程和襯底納米孔道內(nèi)薄膜沉積過程。該研究工作以“Numerical simulation of atomic layer deposition for thin deposit formation in a mesoporous substrate”為題（DOI：10.1002/aic.17305），以封面形式發(fā)表于AIChE Journal，被期刊評為“Top Tier”等級，同時將作為2021年8月Editor’s Choice論文在期刊主頁宣傳一個月。

美國約翰霍普金斯大學(xué)Michael Tsapatsis教授和威斯康辛大學(xué)的Xiaoli Ma教授前期開發(fā)了“配體誘導(dǎo)選擇性滲透法（Ligand-induced permselectivation, LIPS）”，制備了高性能丙烯-丙烷ZIF氣體分離膜（Science, 2018, 361(6406): 1008-1011）。然而，針對LIPS法中ALD工藝，如何進(jìn)行優(yōu)化來降低納米介孔內(nèi)ZnO沉積深度的同時，保證襯底橫截面上沉積的均勻性，是ZIF氣體分離膜制備過程能否成功放大的關(guān)鍵。

針對ZIF氣體分離膜制備過程優(yōu)化和放大問題，我校化工學(xué)院青年教師莊黎偉博士在美國約翰霍普金斯大學(xué)留學(xué)期間，聯(lián)合Peter Corkery博士、Dennis T. Lee博士，共同建立了Veeco Savannah S200型號ALD反應(yīng)器模型和γ-氧化鋁介孔內(nèi)擴(kuò)散-反應(yīng)-薄膜沉積模型，開展了ALD反應(yīng)器和襯底的傳遞-反應(yīng)耦合模擬研究。該多尺度模型可以精確預(yù)測ALD閥門在15毫秒內(nèi)的前驅(qū)體脈沖量，供氣系統(tǒng)、腔體內(nèi)前驅(qū)體/載氣的流體流動、傳熱和傳質(zhì)，以及襯底納米孔道內(nèi)薄膜沉積深度和分布。同時，該數(shù)值模擬研究證明了膜制備過程中反應(yīng)器傳遞過程與襯底擴(kuò)散反應(yīng)過程的弱耦合作用，提出了評判耦合強弱分界線的臨界沉積通量。相關(guān)研究為丙烯-丙烷ZIF氣體分離膜、基于ALD技術(shù)的各類分離膜制備過程的優(yōu)化和放大問題奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)；同時，相關(guān)模型和模擬方法，對芯片、光伏、燃料電池、催化劑等基于ALD技術(shù)的制備過程有普遍化應(yīng)用價值，可直接用于各類商業(yè)化ALD反應(yīng)器的優(yōu)化和新型ALD反應(yīng)器的開發(fā)。

上述研究工作第一和通訊作者為莊黎偉博士，共同第一作者為約翰霍普金斯大學(xué)Peter Corkery博士和Dennis T. Lee博士，共同通訊作者為美國工程院院士Michael Tsapatsis教授。計算模擬研究得到了美國工程院院士Yannis Kevrekidis教授及其團(tuán)隊Seungjoon Lee博士（約翰霍普金斯大學(xué)）和Mahdi Kooshkbaghi博士（普林斯頓大學(xué)）的協(xié)助。我校化工學(xué)院許振良教授在膜制備與結(jié)構(gòu)控制等方面、戴干策教授在流體力學(xué)與傳遞過程等方面，給予了大力指導(dǎo)與幫助。研究工作得到了美國能源部（DE-SC0021212）、中國國家自然科學(xué)基金委（面上項目22078091和青年項目21706066）和中國留學(xué)基金委（201906745003）的資助。莊黎偉長期從事過程裝備的反應(yīng)-傳遞模型與模擬研究：在膜分離過程與膜組件方面的研究發(fā)表在AIChE Journal(64(7): 2655-2669)和Journal of Membrane Science（495: 372-383；526: 73-93）等期刊，在反應(yīng)器方面的研究覆蓋攪拌器、射流環(huán)流器、氣升式環(huán)流器、噴淋塔等各類反應(yīng)器，涉及領(lǐng)域包括化工、環(huán)境、能源、醫(yī)藥等。

原文鏈接：https://aiche.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aic.17305