研究方向一：材料结构与传递现象
研究思路是通过分子模拟手段和必要的实验研究，在多尺度范围内揭示材料结构、性能与制备的关系，并对过程设计、生产加工的流程进行模拟，构建材料化学工程的理论基础。在研究方向的选择上，研究材料的分子设计，通过模拟和实验研究揭示材料的结构－性能关系，从而实现根据最终产品的性能要求裁剪、构筑材料的分子结构的目的；通过研究材料微结构传递和反应物质与材料的相互作用规律以及这种作用规律与宏观环境的变化关系，描述微结构中的传递现象，建立材料的功能与微结构的定量关系；通过对材料微观/介观尺度下存在的基本规律进行研究，获得材料制备和应用过程中微观/介观层次的相结构及演变过程和机理，从而提供材料技术应用的理论依据，为新材料的制备与应用提供理论基础；对材料制备及应用中所涉及的与流体流动相关的各种宏观现象进行计算流体力学模拟，为材料制备和应用的工艺流程提供改造设计与创新设计。拟开展如下研究工作：
1）材料的分子设计研究
运用分子模拟、分子组装等技术开展新材料分子及表面结构设计与构筑研究，包括对微/纳米材料、无机/有机聚合物基杂化材料等的分子及表面结构进行设计与构筑，揭示材料结构－性能的关系，为材料的制备与应用提供理论基础。主要包括研究微/纳米材料可控制备新技术及相关科学基础理论，从量子、化学热力学及结晶动力学的角度，研究纳米材料的形成机理及微结构控制规律，建立材料制备加工过程－材料形态结构－材料应用性能之间的关系；研究微/纳米材料的表面修饰与构筑即微/纳米粒子的表面改性、微/纳米粒子表面与表面改性剂相互作用，改善微/纳米粒子表面的可润湿性，增强微/纳米粒子在介质中的分散性和相容性，特别研究具有超亲水、超疏水表面的微/纳米材料及其具有功能化生长的功能化微/纳米材料；针对有机－无机杂化材料制备与加工，研究无机材料表面改性机理及表面结构控制，以及与有机单体原位聚合、杂化过程机理，通过无机材料的表面设计和表面处理控制无机/聚合物复合材料的界面结构和行为，得到多种性能优良的多元多尺度复合材料，提高纳米杂化复合高分子材料的加工性能，探索其特异的光电等特异性能。
2）材料界面分子传递现象研究
通过分子模拟技术、密度泛函理论、逾渗理论等手段，研究材料微结构传递和反应的物质与材料的相互作用规律、以及这种作用规律与宏观环境的变化关系，描述微结构中的传递行为，建立材料功能与微结构的定量关系，实现面向应用需求来设计材料微结构的目标。主要包括通过分子模拟从分子层面来研究材料化学工程，如膜科学、介孔材料、燃料电池产氢等的共性科学问题，包括流体在非均一表面和受限条件下的结构与动态性质，探索微传递与微扩散机理并建立相应的热力学模型；研究纳米尺度多孔材料中的受限行为的研究，多孔材料包括：碳材料（活性炭），分子筛，多孔硅胶，纳米管，以及low-k和High-k多孔微电子介电材料等，研究流体物质与固体表面的相互作用，以及基于分子模拟研究流体混合物在多孔膜中的扩散和渗透，为建立表观理论模型和设计新型功能性材料提供机理上的指导；将材料学的理论与方法引入经典的传质理论中，构建膜过程传质结构模型，建立多孔陶瓷膜的分离性能与其微结构之间的关系模型，建立膜面滤饼形成的动力学模型，描述膜分离机理，实现面向应用过程的膜材料微结构设计的目的。
3）材料的多尺度模拟及耦合研究
由于材料微结构及其演化在空间和时间分布范围很大，需要采用不同尺度下的模拟以获得材料性能的完整表征和正确预测。通过采用量化计算、分子模拟以及介观模拟等方法，对材料微观/介观尺度下存在的基本规律进行研究，揭示材料制备和应用过程中微观/介观层次的相结构及演变过程和机理，获得材料在宏观上体现的性能，从而提供材料技术应用的理论依据，为新材料的制备与应用提供理论基础。同时，针对材料制备及应用过程中所涉及的化学工程“三传一反”各种宏观现象进行CFD（计算流体力学）模拟，为材料制备和应用的工艺流程的改造或创新设计奠定基础。主要包括基于分子模拟研究大尺度分子在不同溶剂中的相行为和自组装，并在统计力学的基础上建立描述聚合物和表面活性剂相行为的状态方程，研究溶质的存在对表面活性剂相行为和的影响，以及溶质在胶束条件下的传递行为和动力学行为；以CFD技术的理论模型和各种工程应用为研究对象，理论模型的研究内容主要是指除CFD技术自带一些通用模型之外的可以运用于特殊使用场合的物理、化学、数学模型，如各类反应模型、气泡流模型、流化床模型、特殊的传热模型等。应用研究主要是针对无机非金属材料行业的燃烧系统（如水泥回转窑、碳酸锶、碳酸钡、铬盐煅、磁粉、玻璃、陶瓷窑炉能的优化设计、优化操作、节能降耗等；及石油化工加热炉－油气混烧、重整与催化剂再生等过程自动化控制和最最优调节与操作等。高分子聚合反应器中聚合速率、粘性特性及反应装置的优化设计。
研究方向二：材料制备的化学工程方法
基本研究思路是利用化学工程学科的理论及方法指导材料的设计与制备，通过对材料生产过程进行系统的化学工程研究，同时发展若干重要新材料的设计与制备方法，奠定新材料产业形成的理论与技术基础。在研究方向的选择上，依据国家重大需求和本实验室的优势研究方向，重点发展生物基高分子材料制备技术，以缓解大宗原材料和重要化学品生产对矿石资源的高度依赖；重点发展水泥生产的绿色制备技术，提供其循环经济的理论基础；建立面向应用过程的无机膜材料设计方法，通过对无机膜材料的功能－结构－制备关系的理论研究，揭示宏观使用性能与材料微结构的定量关系以及材料的微结构形成机理与控制规律，从而建立面向应用过程的陶瓷膜材料设计与制备的理论框架。拟开展如下研究工作：
1）生物基材料研究
以国家石油替代战略目标为导向，研究生物质为原料的大宗高分子基础原材料的制备技术，缓解材料工业对矿石资源过分依赖的局面。用生物化学的理论揭示生物高分子及单体的合成机理、生物高分子性能和工艺参数控制的关系。用现代化学工程手段，解决生物材料制备过程中的若干关键问题，使我国的生物基材料制备技术达到国际先进水平。主要包括：生物催化剂筛选和改造，面向生物材料单体和高聚物制备所需，开展微生物或酶发现的理论和方法学研究，建立和完善生物催化剂的改造方法学，搭建离子束、激光、化学诱变剂常用诱变技术平台，能够在更快时间内，开发出性能更好、更经济的适用生物材料制备的微生物菌种。建立合理分子设计，定向进化改良微生物的方法，在离子束生物技术与分子生物学结合改造微生物方面形成特色，在变种库构建和高通量筛选方法上实现突破。围绕几个大宗聚合物单体制备所需，开展微生物菌种筛选和改造研究，包括聚乳酸单体L-和D-乳酸；被誉为“21世纪大型纤维”PTT生产的关键单体1,3-丙二醇；聚氨基酸单体L-和D-氨基酸，如L-精氨酸，L-丙氨酸及丙酸生产菌种研究。筛选和改造适用于制备聚谷氨酸、聚赖氨酸等聚酰胺类生物高分子和威兰胶多糖类高分子用的生物催化剂；生物高分子材料的生物催化过程：研究生物转化生产单体和高聚物的代谢机理，以生物高分子聚谷氨酸合成代谢途径为研究对象，应用近年来研究相当活跃的同位素示踪分析和代谢工程理论和技术，分析生物代谢途径和网络，阐明生物聚合的关键酶和限速步骤，在此基础上采用分子生物学手段强化代谢中心流，敲除副产物代谢旁路，使微生物菌种朝着聚谷氨酸合成的方向进行代谢，达到超量合成聚谷氨酸的目的。研究单体和高聚物的生物转化过程中调控和优化问题。拟重点研究丁二酸的高密度发酵，放大生产的影响因素，探索生物路线生产丙酸的技术。研究细胞的固定化技术以提高丙酸生产菌种的稳定性和催化活力，综合考虑副产物维生素B12的联产和回收问题，实现丙酸生产过程的利益最大化，并设计反应与分离耦合装置，实现丙酸的连续生产；生物高分子材料的催化合成：生物基平台化合物脱水催化工程的应用技术研究，以生物乙烯及生物基丙烯酸为研究体系，探索以生物发酵得到的生物小分子为原料，通过化学法脱水制得大宗化学品，提高催化剂反应选择性及使用寿命，并通过一系列表征手段探索其改性及反应机理；建立完整的工业催化剂性能评价体系，并进行生物发酵过程与催化脱水工艺过程耦合一体化研究，建立中试规模工艺和装备，进而完成对该工艺的技术经济指标评价，为工业规模化生产提供工业化装备的设计、制造和优化技术。
2）无机膜材料研究
我国过程工业中，资源利用率低、能源消耗高、环境污染严重等问题大都与分离过程中的高能耗和低效率有密切关系，而无机膜材料是解决分离过程中这些问题的有效途径之一。对无机膜材料的设计、制备与应用进行系统的研究，在理论上建立面向应用过程的膜材料设计与制备的理论框架，在方法上建立我国膜材料的设计技术平台和指标评价体系，在技术上解决若干对国民经济有重要影响的特种膜材料的微结构控制和膜形成的关键问题，使得我国无机膜材料制备技术达到国际先进技术水平，为我国无机膜领域的跨越式发展和在国家重大工程中的应用提供基础。主要包括多孔陶瓷膜制备方法与微观结构的关系研究，建立粒子堆积孔径及孔隙率与原料粒子粒径分布之间的关系方程，在理论上揭示膜形成过程中孔道的空间结构变化规律，对膜在多孔载体上热处理过程中颗粒的一维受限变化行为与烧结制度间的关系进行研究，建立多孔载体上薄膜热处理过程中“一维受限烧结机理”，对多孔陶瓷膜中物质传递机理和流体力学进行研究，研究设计结构更加合理的大型陶瓷膜元件，基于掺杂理论，从材料学角度对膜表面性质进行剖析，研究掺杂对膜材料微结构及表面性质的影响，关联膜材料微结构及表面性质与掺杂控制条件的关系，从而获得高性能的陶瓷膜材料；致密金属膜的设计制备与氢气分离集成过程研究，在前期光催化沉积制备钯膜的专利技术基础上，研究开发新型超薄金属合金膜制备方法，通过光催化沉积制备完整致密的金属透氢膜，研究超薄化金属膜的耐久性；混合导体膜材料的设计、制备及应用，研制新的高氧通量、高稳定性的具有自主知识产权的透氧膜材料、继续开展将CO2热分解和CH4部分氧化制合成气耦合在一个致密透氧膜反应器中的膜反应过程，研究反应过程中膜材料结构的演变规律，研制高效、稳定的二氧化碳分解催化剂、制备支撑体和膜层不同种材料的片式/管式担载型混合导体透氧膜，并建立担载型致密透氧膜透氧机理的数学模型、制备中空纤维混合导体致密透氧膜，建立CH4部分氧化制合成气的膜反应器样机、研究膜反应器的设计和管式膜反应器的高温密封材料和技术；有机/陶瓷复合膜的设计、制备及应用，重点开发高性能复合PDMS/陶瓷透醇膜材料及有机/陶瓷复合透水膜，突破复合膜放大制备技术及膜元件、组件以及成套装置工程化放大过程中的若干关键问题，预期形成规模化制备改性PDMS/陶瓷透醇膜的制备技术、渗透汽化膜组件的工业设计技术，以及与膜组件相匹配的成套装备，建立透水、透醇膜一体化测试平台；分子筛膜的制备及其在有机物混合体系中的分离研究，研究支撑体制备技术，分析多孔支撑体微观结构对分子筛晶体成长的影响，从而实现对不同种类的膜进行相对应的支撑体设计与制备；研究分子筛晶体生长机理，建立分子筛膜晶体成长过程与制备控制参数之间的关系；重点研究NaA型分子筛膜的规模制备，并以乙醇/水体系为重点，进行NaA分子筛膜渗透汽化工业装置的研制，达到工业应用的水平。
3）胶凝材料研究
针对我国水泥生产资源消耗量大但有效利用率低下问题，本方向吸纳化学工程理论，通过对水泥制备中机理问题及熟料体系研究，突破传统的硅酸盐水泥熟料矿相体系，提高水泥熟料胶凝性，改善传统水泥制造工艺。本方向的研究可以在我国建立强度与耐久性兼优的高性能水泥材料新体系，实现水泥和水泥基材料的高性能化和生态化。主要包括对高C3S熟料的C3S最佳含量、矿物相匹配和掺杂物质的作用进行研究，制备出高C3S熟料。研究掺杂C3S调制结构，建立与水化活性的关系；研究高C3S熟料、表面活化的天然辅助性胶凝材料和石膏的优化复合来制备高性能水泥，并得到转化应用；基于水泥低水灰比的实际应用和高性能化来开展水泥浆体的组成和结构研究，建立水泥浆体结构模型；针对有害离子侵蚀环境和碱集料反应典型工程应用开展高性能水泥基材料耐久机理研究，建立寿命预测模型，提出高耐久水泥基材料的设计原理。
研究方向三：材料的化学工程应用
思路是紧密围绕国家中长期科学与技术发展规划，面向缓解过程工业的资源、能源和环境瓶颈问题的重大需求，以开发的新型材料为基础，研究新型分离技术、新反应技术以及过程集成技术，形成具有自主知识产权、对国民经济有重大影响的标志性成果，实现理论研究对国民经济和社会发展的直接贡献。在方向选择上，围绕节能减排的具体目标，重点发展以膜材料、吸附等新材料为基础的新型分离技术；以生物材料、膜材料、催化材料等新材料为基础的新型反应技术；以新材料为基础的过程集成技术及相关的基础研究，主要集中在反应－膜分离耦合、膜催化反应器、微化工反应过程等集成技术的应用基础研究。拟开展如下研究工作：
1）基于材料的分离过程研究
发展以新材料为基础的新型分离技术，具有节约能源的特征。本实验室以新材料如膜材料、新型吸附材料等为基础发展起来的新型分离技术，如膜分离、吸附分离等，在分离过程中一般不产生相的变化，因此具有节约能源的特征，发展十分迅速，成为分离领域的主要发展方向。主要包括基于膜材料，开展膜法污水处理技术研究及工程应用研究，在钢铁等行业实现规模应用，重点研究污水中污染物成分对膜和膜污染过程的影响及机理、膜的有机和生物污染模型的建立、性能优越的新型分离膜材料（尤其是抗污染膜）的设计与开发、新型膜组件的开发、膜组件清洗技术开发等；提出采用透醇膜渗透汽化过程与乙醇发酵过程相耦合的膜生物反应器集成过程，并与透水膜渗透汽化流程相结合，形成连续制备无水乙醇的新工艺；膜分离技术与生物质衍生物水相重整制氢耦合研究，开发出小型生物质制氢装置，推动氢能源的普及应用，并有针对性地对膜法氢分离金属膜材料和制氢与膜分离集成过程展开研究，在膜组件装配、高温密封技术、制氢与膜分离集成方式以及操作工艺等对分离效率及膜的稳定性影响等方面开展工作，为透氢金属膜的评价和使用提供测试分析平台，为氢能源的工业化应用提供技术和理论基础；基于新型吸附材料，对吸附分离过程进行研究，进一步探明多孔吸附材料微结构和表面化学性质对吸附性能影响规律，针对常规吸附剂无法分离的体系，开发出具有自主知识产权、技术性能国内外领先的新型吸附剂和吸附过程并实现工业化，为气体能源储存、大气污染治理等提供技术支撑；面向传统产业提升气体净化技术水平，推广应用新型吸附分离过程，推动吸附过程的工业应用。
2）基于材料的反应过程研究
以新材料为基础的反应技术正在改变着化工与石油化工的面貌，发展以新材料为基础的反应技术，具有绿色、高效等特征。本实验室以新材料如生物材料、膜材料、催化材料等为基础发展起来的新型反应技术，对传统的反应过程的技术进步具有重要的促进作用。主要包括基于生物材料的反应过程研究，开展丙交酯的开环聚合研究，设计并合成新型开环聚合引发剂/催化剂，研究引发剂的结构与功能关系，以期获得高效引发剂，在较短时间完成丙交酯聚合并达到较高分子量，用一步聚合代替现有的两步法聚合；以发酵得到的丁二酸为原料，开展生物可降解材料PBS及其共聚、共混材料的合成研究；基于环境友好催化材料的催化反应过程研究，通过分析催化过程对催化材料的结构和组成的要求，研究基于新催化剂的催化过程研究。重点研究ZSM-5、MCM-22等沸石分子筛催化材料以及以其为活性组分的催化剂，SBA-15等介孔分子筛为载体的催化剂，杂多酸为活性组分的催化剂等；并研究以甲苯择形歧化为代表的择形催化过程，以苯的羟基化为代表的芳烃定向氧化过程，以酯化和缩合反应为代表的精细化工过程等；研究可用于清洁燃油生产、化学品绿色合成的固体强酸催化材料催化应用研究、固体强酸催化烷烃临氢异构化技术的中试研究；基于膜材料，研究固体氧化物燃料电池及新型动力电池，通过新材料的开发制备及基础研究，实现以直接碳氢化合物为燃料的低温固体氧化物燃料电池技术，千瓦级的管式燃料电池技术；前端聚合反应工程，研究内容包括前端聚合反应的化学反应动力学、化学反应热力学、化工传递过程规律。特别研究反应热量的产生和传递等因素及分歧参数对聚合物前端运动形式的影响，找出热传递和对流传导对前端不稳定性影响的关键因素以及影响前端聚合反应工艺的诸因素，建立其动力学方程。
3）基于材料的反应分离耦合过程研究
开展以新材料为基础的过程集成技术及相关的基础研究，可以提高生产效率，使单位产品能耗更低、资源利用率更高、“三废”更少。本实验室主要通过对反应－膜分离耦合、膜催化反应器、微化工反应过程等集成技术的研究，形成特色与优势研究方向，服务于国民经济建设。主要包括反应－膜分离耦合过程，以提高传统反应过程的资源利用率为目标，开展反应－膜分离耦合过程的基础与应用研究，主要研究内容是反应过程与膜分离过程的匹配关系、耦合过程的流体力学、反应动力学、耦合过程的模型化、耦合过程中膜结构演变规律以及膜污染与再生、耦合过程中膜组件的大型化、标准化设计以及在线清洗技术，预期形成自主知识产权的反应－膜分离耦合技术，建立万吨级的反应－膜分离耦合示范装置；微反应过程研究，利用新型的微反应器开发新的纳米颗粒合成与反应过程新工艺，特别是针对强吸热和防热反应、两相互不相溶体系、传质控制的反应等开展研究工作，以期开发新的快速安全高效的微反应过程，以新型的节段流形式连续合成纳米无机材料和沸石分子筛，达到连续快速尺寸可控的纳米材料合成新技术。