Модульная программа лекционного курса, семинаров, практикума и самостоятельной работы аспирантов Направление подготовки 04. 06. 01 «Химические науки»

Скачать 0.52 Mb.

Название	Модульная программа лекционного курса, семинаров, практикума и самостоятельной работы аспирантов Направление подготовки 04. 06. 01 «Химические науки»
страница	4/9
Тип	Программа

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Программа

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Рабочий план

Лекция 1. Введение. Роль поверхности, пористой структуры и адсорбционных явлений в химии.

Лекция 2. Текстурное многообразие пористых материалов.

Лекция 3. Элементы моделирования пористой структуры.

Лекция 4. Экстенсивные и интенсивные параметры пористой структуры.

Семинар 1. Основные взаимосвязи между параметрами пористой структуры.

Семинар 2. Практическое применение правил использования экстенсивных и интенсивных параметров пористой структуры.

Контрольная работа 1 (КР1): По материалу первых лекций и семинаров

Лекция 5. Основы адсорбции.

Лекция 6. Термодинамика адсорбционных взаимодействий на плоской поверхности.

Лекция 7. Адсорбционные фазовые диаграммы (изотермы, изобары и изостеры адсорбции).

Лекция 8. Экспериментальные методы изучения адсорбции.

Семинар 3. Адсорбционные равновесия.

Лекция 9. Начальные участки изотерм адсорбции.

Лекция 10. Парциальная поверхность многокомпонентных пористых материалов.

Лекция 11. Трехфазные пористые системы.

Семинар 4. Способы измерения удельной поверхности из адсорбционных данных.

Контрольная работа 2 (КР2): По материалу лекций 6-11 и семинаров 3-4.

Лекция 12. Капиллярные явления.

Семинар 5. Капиллярные явления.

Лекция 13. Современное состояние теории адсорбции и капиллярной конденсации.

Семинар 6. Капиллярные явления.

Контрольная работа 3 (КР3): По материалу лекций 12-13 и семинаров 5-6.

Лекция 14. Механизмы перераспределения жидкой фазы в пористом теле.

Коллоквиум 1 (К1): Индивидуальные устные презентации аспирантов о роли адсорбции и пористой структуры в теме их дипломной работы.

Лекция 15. Фундаментальные механизмы формирования высокодисперсных систем.

Семинар 7. Формирование текстуры пористых материалов.

Лекция 16. Механизмы агрегации высокодисперсных частиц и массообмена между ними.

Коллоквиум 1 (К1): Индивидуальные устные презентации аспирантов о роли адсорбции и пористой структуры в теме их дипломной работы.

Лекция 17. Механизмы и стадии формирования текстуры систем, получаемых методами осаждения.

Семинар 8. Формирование нанесённых катализаторов и адсорбентов.

Контрольная работа 4 (КР4): По материалу лекций 14-17 и семинаров 7-8.

Лекция 18. Самоорганизующиеся пористые материалы.

Лабораторные работы.

Лекция 19. Пористые углеродные материалы.

Лабораторные работы.

Коллоквиум 2 (К2): Защита лабораторных работ.

Лекция 20. Прикладные задачи адсорбции.

Лабораторные работы.

Коллоквиум 2 (К2): Защита лабораторных работ.

Программа курса лекций

Раздел I. Пористая структура

Лекция 1. Введение. Роль поверхности, пористой структуры и адсорбционных явлений в химии. Определение супрамолекулярной структуры (текстуры) пористых и дисперсных материалов и её анализ.

Лекция 2. Текстурное многообразие пористых материалов. Рассмотрены геометрическое многообразие морфологии пористых и дисперсных наносистем, обобщенные модели и системный набор моделей.

Лекция 3. Элементы моделирования пористой структуры. Обсуждены характерные подходы к моделированию супрамолекулярной структуры нанопористых материалов: выделение первичных структурных модельных ячеек (ПЭ), исследования регулярных и статистических упаковок наночастиц с помощью многогранников и решеток (мозаик) Вороного-Делоне, подходы, основанные на решеточных моделях и теории перколяции, геометрии фракталов, модели хаотично расположенных сфер (ХРС) и статистическом анализе методами количественной микроскопии и стереологии.

Лекция 4. Экстенсивные и интенсивные параметры пористой структуры. Обсуждены «безмодельные» характеристики супрамолекулярной структуры - плотность и пористость, а также удельная поверхность и объём пор, средние размеры частиц и пор, основные соотношения между этими характеристиками, методы определения дисперсности.

Раздел II. Адсорбция на плоской поверхности

Лекция 5. Основы адсорбции. Рассмотрены способы снижения избыточной поверхностной энергии. Обсуждены особенности физической и химической адсорбции, силы межмолекулярного взаимодействия при физадсорбции, прямые методы измерения поверхностных сил.

Лекция 6. Термодинамика адсорбционных взаимодействий на плоской поверхности. Рассмотрены особые термодинамические свойства поверхности раздела фаз, метод слоя конечной толщины, метод разделяющей поверхности и поверхностных избытков Гиббса, поверхностное натяжение, поверхностно - активные и инактивные компоненты, “положительная” и “отрицательная” адсорбция в жидких и твердых растворах. Обсуждено применение уравнения Гиббса для анализа адсорбции.

Лекция 7. Адсорбционные фазовые диаграммы (изотермы, изобары и изостеры адсорбции). Рассмотрен динамический характер адсорбции, обусловленный явлениями в объеме сопредельных фаз и на поверхности их раздела, миграция молекул по поверхности, изотермы мономолекулярной адсорбции Генри, Ленгмюра, Фаулера-Гугенгейма, и другие уравнения мономолекулярной локализованной адсорбции. Обсуждена полимолекулярная адсорбция, модели ФХХ (Френкеля-Хелси-Хилла) и БЭТ (Брунауэра-Эммета-Теллера), значения молекулярных посадочных площадок в заполненном “бэтовском” монослое, расчет удельной поверхности методом БЭТ.

Лекция 8. Экспериментальные методы изучения адсорбции. Рассмотрено правило фаз Гиббса с учетом адсорбции на межфазовой поверхности, методы измерения и исследования адсорбции и структуры поверхности, включая объемный (волюметрический) и весовой (гравиметрический) метод измерения изотерм адсорбции газов и паров, проточные методы измерения равновесных величин адсорбции, особенности исследования адсорбции из растворов.

Лекция 9. Начальные участки изотерм адсорбции. Терминология и классификация пористых материалов, основанные на размере пор и особенностях происходящих адсорбционных процессов. Анализ применения метода БЭТ для расчетов удельной поверхности катализаторов и адсорбентов, известные способы усовершенствования модели БЭТ и поиск альтернативных решений. Сравнительный метод анализа изотерм адсорбции, основанный на использовании стандартных изотерм адсорбции (СИА), применение этого метода для определения объема микропор и поверхности мезопор, анализа модифицированных систем. Основы теории объемного заполнения микропор (ТОЗМ) школы М.М. Дубинина.

Лекция 10. Парциальная поверхность многокомпонентных пористых материалов. Рассмотрены традиционные и новые адсорбционные методы определения парциальной поверхности и других параметров супрамолекулярной структуры многофазных катализаторов и композитов, дополнительные возможности адсорбционного анализа распределения компонентов в нанесенных катализаторах в нанометровом диапазоне их размеров.

Раздел III. Основы капиллярных явлений на искривленной поверхности

Лекция 11. Трехфазные пористые системы. Основы термодинамики поверхностных явлений в трехфазных системах, смачивание и растекание, когезия и адгезия, определение кривизны поверхности. Классические уравнения теории капиллярности: уравнение Лапласа-Юнга, Кельвина, Томсона, зависимость химического потенциала и температуры фазовых переходов от кривизны поверхности, равновесный профиль искривленной поверхности жидких фаз, равновесная форма и поверхностное натяжение твердых фаз, зависимость поверхностного натяжения от межмолекулярных взаимодействий, температуры и кривизны поверхности. В качестве примера применения термодинамики поверхностных явлений на искривленных границах рассмотрена ртутная порометрия в модели индивидуальных пор.

Лекция 12. Капиллярные явления. Обратимая и необратимая капиллярная конденсация в индивидуальных модельных порах простейшей формы, особенности капиллярной конденсации в системах взаимосвязанных пор. Методы расчета распределения мезопор по размерам на основе классических закономерностей термодинамики поверхностных явлений и новые численные методы.

Лекция 13. Современное состояние теории адсорбции и капиллярной конденсации. Рассмотрены подходы к моделированию адсорбции и капиллярной конденсации, основанные на статистической механике и численных методах с прямым учетом межмолекулярных взаимодействий, методология адсорбционного численного эксперимента (АЧЭ), модели, используемые в современных АЧЭ, некоторые результаты использования таких методов.

Раздел IV. Механизмы формирования пористых материалов

Лекция 14. Механизмы перераспределения жидкой фазы в пористом теле. Рассмотрены механизмы процессов, связанных с переносом и перераспределением жидкости в нанопористых системах (сначала – на простейших модельных и далее – постепенно усложняющихся системах), жидкофазные домены и перенос, определяемый уравнениями Лапласа-Юнга, Кельвина, равновесие и перенос в адсорбционной пленке (по Фольмеру и Дерягину), скорость установления равновесия, перенос и перераспределение жидкости в элементах лабиринта пор. В качестве примера рассмотрены стадия сушки в приготовлении нанесенных катализаторов, а также особенности получения нанесенных адсорбционных катализаторов и некоторые особенности катализаторов с жидкофазным нанесенным активным компонентом.

Лекция 15. Фундаментальные механизмы формирования высокодисперсных систем. Рассмотрены принципы образования высокодисперсных систем, общие механизмы и схемы фазовых превращений в гомогенных средах, особенности процессов осаждения из водных растворов, гетерогенное зародышеобразование, особенности роста кристаллических частиц и роль объемных изменений при твердофазовых (топохимических) превращениях.

Лекция 16. Механизмы агрегации высокодисперсных частиц и массообмена между ними. Рассмотрены общие факторы, определяющие стабилизацию и дестабилизацию (коагуляцию) золей наночастиц (силы притяжения и отталкивания, гидрофобное и гидрофильное взаимодействия и др.), механизмы массообмена между наночастицами (переконденсация и срастание, особенности срастания на стадии гидрогеля и ксерогеля), механизмы изменений текстуры при спекании, особенности спекания нанесенных катализаторов.

Лекция 17. Механизмы и стадии формирования текстуры систем, получаемых методами осаждения. На примере силикагелей, получаемых золь-гель методом, рассмотрены фундаментальные механизмы и стадии формирования наноструктуры некристаллизующихся наносистем, получаемых методом осаждения из водных растворов (стадии образования и коагуляции золя, старения гидрогеля, формирование текстуры силикагеля при сушке гидрогеля). Особенности формирования текстуры силикагелей, осаждаемых через коагели, а также из алкоксидов металлов. На фоне дизайна силикагелей как модельной системы, обычно не осложняемого фазовыми превращениями после нуклеации золя, рассмотрены отличительные особенности формирования систем, кристаллизующихся на стадиях после образования исходного осадка.

Лекция 18. Самоорганизующиеся пористые материалы. Проблема формирования порядка и хаоса в нанодисперсных и наноструктурированных системах, молекулярные механизмы самоорганизации порядка, принципы супрамолекулярной химии. В качестве примеров рассмотрено формирование синтетических цеолитов и цеолитоподобных материалов, жидких кристаллов, интекалированных и пилларированных слоистых материалов. Рассмотрены свойства мицеллярных систем из ПАВ, их типовые трансформации, взаимодействие с компонентами окружающей среды, биоминерализация в живой природе, принципы биомиметического синтеза композиционных и неорганические мезопористых мезофазных материалов (МММ), особенности формирования и супрамолекулярная структура силикатных и элемент-силикатных систем типа МСМ-41 и SBA-15, а также MOF (металлорганических решеток) и композитов на их основе.

Лекция 19. Пористые углеродные материалы. Особенности структуры твердых фаз углерода. Основные традиционные и новые способы получения пористых углеродных наносистем из различных твердых, жидких или газообразных углеродсодержащих предшественников, механизмы развития структуры при введении или удалении углеродсодержащих и других компонентов. Особое внимание уделено пироуглероду и сибунитам, каталитическому волокнистому углерод, фуллерену, углеродным одностеночным нанотрубкам и их производным.

Лекция 20. Прикладные задачи адсорбции. Рассмотрено применение адсорбции для задач очистки, разделения, выделения и хранения компонентов различных газовых и жидких сред, в тепловых, газовых и электрических аккумуляторах и демпферах; определены основные понятия и механизмы кинетики и динамики адсорбции в изотермических и неизотермических условиях, влияние формы изотермы адсорбции, особенности разделения газов методами цикловой адсорбции и хроматографии.

Формы организации учебного процесса: лекции, лабораторная работа, семинары, коллоквиумы, домашняя и самостоятельная работа аспиранта, консультации, экзамен.