精细化工国家重点实验室简介

 精细化工国家重点实验室是1989年经国家计划委员会批准,依托大连理工大学筹建而成,1995年9月通过国家验收并正式对外开放,在2009年和2014年国家重点实验室评估中被评为优秀国家重点实验室。现有固定研究人员78人(中国工程院院士1人,国家杰出青年科学基金获得者9人, “长江学者奖励计划”教授10人)、研究生800余人,年研究经费7000余万元。
精细化工国家重点实验室以精细化工领域科学前沿和国家重大战略需求为导向,着力开展功能化、高附加值精细化学品的结构设计、功能调控和清洁制备等方面的科学研究和技术创新,培养和汇聚一批高素质、高水平的创新型专业人才和技术骨干,以高水平科学研究支撑创新人才培养,以高水平人才培养服务创新驱动战略,以国际视野推进高水平国际科技合作,为引领精细化工领域的科学创新、支撑我国精细化工产业发展做出贡献。
主要研究方向及内容
(1) 染料及其光化学:重点开展染料激发态的释能调控、分子结构创新,在荧光染料探针、数码喷墨染料、染料敏化太阳能电池、人工光合作用、光电材料、生态纺织染料等领域,揭示染料分子结构与性能关系的规律、实现染料分子功能强化。
(2) 精细化工新材料:开展精细高分子等特殊功能材料和无机功能研究,从分子设计、结晶性能调控、介观结构创新出发,着力研发高立构规整性二氧化碳共聚物、耐温杂萘联苯聚芳醚腈砜树脂、高性能化特种阻尼橡胶和炭素材料、硼镁氟等高新技术用精细化学品。
(3) 精细化工清洁制备技术:聚焦精细化工中的分子活化和界面作用调控,通过模拟酶活性中心和酶作用微环境,研究复杂分子在温和条件下的选择性催化合成、高效分离纯化、能量质量梯级利用及过程耦合,实现精细化工清洁制备和节能降耗。
实验室在国内精细化工领域科技创新工作中具有重要地位
早在上世纪五十年代,著名染料化学家侯毓汾教授在大连理工大学创建了我国最早的染料专业,八十年代初拓展为精细化工学科,被批准为首批博士点,也是全国唯一的精细化工国家重点学科,随后国家统一将精细化工调整为应用化学二级学科。在2001和2007年两次全国重点学科评审中,该学科均总分第一名。2012年以实验室为核心的大连理工大学化学工程与技术一级学科名列全国第三。这一优势学科为精细化工相关领域培养了大批高层次人才。
1989年国家计委批准在大连理工大学精细化工国家重点学科基础上建设精细化工国家重点实验室。经过二十年的发展,实验室在2009年评估中被评为优秀国家重点实验室,这是全国化工一级学科国家重点实验室首次进入优秀实验室行列。2013年,实验室在荧光染料识别领域获国家自然科学二等奖;自1999年国家科技奖励制度改革以来,全国共评选出4项染料相关的国家科技奖,实验室获得了其中的3项。2014年,依托实验室组建的“染料分子功能调控” 被评为国家自然科学基金委创新研究群体,这是自2000年国家自然科学基金委员会设立“创新研究群体科学基金” 以来全国化工一级学科领域的第三个获批群体。2014年,实验室再次被评为优秀国家重点实验室,也是化工领域唯一的优秀国家重点实验室。
实验室科学研究成果受到国际关注
实验室近期的研究工作受到国际学术界的关注,得到了较高的评价。如:
① 在三线态自旋转换延长激发态寿命的研究方面,大幅提高了上转换效率,被Nature China “Highlight”栏目(Nature China, 2011, doi:10.1038/nchina. 2011.4)进行了专文评述,认为“大连理工大学发现了基于长寿命三线态的上转换发光材料,这种三线态-三线态上转换比常规上转换的效率高得多…”;“PhysOrg”和“Science News”网站专文评述,认为“大连理工大学展示了长的三线态寿命,对光的吸收和利用非常重要(tremendously important)”。
② 利用染料“分子转子”内转换对细胞内粘度进行荧光成像,被“Chemistry View”网站专文报道评价为:“许多疾病与细胞粘度密切相关,但现有机械粘度测定方法不能用于细胞水平。大连理工大学发展了利用分子转子测定细胞内粘度的荧光探针…这是第一个可以双模式荧光成像的分子转子,对疾病病理学研究具有意义” 。
③ 实验室发现的癌细胞内环氧化酶COX-2荧光探针,被J. Am. Chem. Soc.评选为 “spotlights article”,并以“Lighting up the golgi of cancer cell”为题报道(J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 12151);美国化学化工新闻(C&E News 2013, 7 Aug.)做专文报道和点评,认为“这一研究为癌症诊断和手术边界确定等研究提供了一种简易的可视化工具”。
④ 著名评述期刊Synfacts连续专文介绍实验室在C-N偶联等清洁合成方面的研究工作(Synfacts 2010, 5, 617; 2011, 1, 105);ChemistryViews网站以“Quicker Way to Triphenylamine Derivatives”和“Oxygen-Promoted Suzuki Reaction”为题,亮点介绍实验室在氧促Suzuki反应方面的主要成果。韩国著名学者Kim教授(Chem. Rev. 2012, 112, 1196)将实验室利用非手性基元构筑手性催化材料、实现高立体选择性催化活性列为近年MOF手性催化工作的重要进展之一 (Milestones of the MOF-based Asymmetric Catalysis)。
⑤ 实验室模拟固氮酶活化氮的研究工作发表在Nature Chemistry上后,受到美国科学院院士、美国化学会志副主编Stephen J. Lippard教授的评价:“该研究为可能的固氮酶中间体化学建立了一种优先模型”(J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 14689);Nature China在其“Research Highlight”栏目上,以“Organometallic chemistry: Nature's way”为题进行了报道,认为:“这一发现提示人们,在生物固氮过程中,氮气是在固氮酶铁钼辅基的铁原子上固定并活化的,所报道的铁硫簇化合物可以作为固氮酶模型物”(Nature China, doi:10.1038/nchina.2011.3)。
实验室创新成果的技术转移和产业化应用
菁染料应用于新一代五分类血细胞仪
血细胞分类计数是医学诊断和健康评估的基本手段之一,我国全自动五分类血细胞仪长期被国外垄断。实验室与深圳迈瑞公司合作,构建了光谱性能(近红外激发)、稳定性(甲醇溶液60℃耐7天)、渗透性(20″完成细胞染色)优异、对核酸具有选择性的DEAB-TO-3染料,获中国、美国等发明专利。作为核心技术,进入迈瑞公司仪器的量产应用,与国外同类产品相比,除常规功能外,还对有核红细胞、含有疟疾虫的红细胞等非正常信息有敏感响应,为临床相关疾病诊断提供了重要参数。合作的迈瑞公司现已累计实现7000台销售总量,约40%的产品出口,仅试剂销售就达6亿元人民币。基础研究工作获2013年国家自然科学二等奖(第一获奖单位)。

 

图1. 使用菁染料的深圳迈瑞五分类血细胞分析系统

耐候性喷墨打印染料
染料是数码喷墨打印的关键材料。国外专利通过在染料分子上引入吸电基团来降低染料分子的电子云密度、提高氧化电位,从而提高其耐候性能,但不能从本质上解决紫外光辐射下单线态氧和臭氧的氧化分解难题。
实验室开发了激发态分子内电子转移内转换(皮秒级)、淬灭激发态的染料体系,使激发态能量迅速以热能形式释放,有效地降低了染料光氧化褪色(微米级)的几率,提高了染料的耐紫外性能。根据这一原理,实验室创制了红、蓝、黑等系列新型喷墨染料,耐紫外牢度大大提高,获中、美、日等发明专利,规模化应用于珠海纳思达电子科技公司的桌面打印墨盒,经国际第三方权威对比检测,“耐紫外性能第一”。目前珠海纳思达年产墨盒0.6亿个,约占全球通用打印墨盒20%以上市场份额,在该领域具有重要的国际影响力。


图2. 珠海纳思达喷墨打印墨盒生产线

精细化工催化清洁制备技术
实验室根据精细化学品杂原子多、分子复杂的特点,采用模拟酶催化,从活性中心模拟、酶微环境模拟,到改性分子筛催化工业化,实现了化学活化和择形催化的结合。拓展出钛硅分子筛催化丙烯双氧水直接合成环氧丙烷技术,催化剂寿命>2000小时,环氧丙烷选择性>95%,环氧丙烷纯度达99.7%,为解决氯醇法污染严重、共氧化法受联产制约的国际难题提供了新思路;构建了选择性活化C-H键的催化活性中心,实现了低碳烃芳构化制三苯的工业化生产,2010年以来已应用于30余套装置,最大吨位达69万吨/年,总生产能力达600万吨/年,为我国芳烃精细化工开辟了新的领域。

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图3. 大连大化龙岛20万吨/年(左)和濮阳恒润石化20万吨/年芳构化装置(右)

④ 高效分离材料与工程应用
实验室从分子和表面作用机理研究出发,采用半贫液吸收、梯级洗脱和再生等质量流梯级利用技术,开发出合成气低温节能型甲醇洗分离纯化工艺,在中石化、中石油、中海油等100余套装置中应用,是我国大规模应用的主流技术;开发出CO2吸附分离剂、精馏耦合技术和成套装置,形成食品级CO2精制分离技术,已获得中、美发明专利授权,解决了99.9999%超纯CO2工业化制备的国际难题,在中、韩、阿联酋、台湾等国家和地区建立了20余套工业化装置并稳定运行,减少CO2排放500余万吨,获2012年国家优秀发明专利奖(第一获奖单位)。

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图4. 徐州金宏10万吨/年高纯CO2分离回收装置

针对以卤代烃气体为代表、对环境生态影响极大的精细化工生产尾气,实验室开发出高耐溶胀有机蒸气分离膜及梯级耦合分离技术,形成了工艺包和专利池,在30余项回收项目中成功应用,其中研发的大连石化富氢气体回收处理量达82000 Nm3/h,刷新了我国炼厂气分离回收装置处理量的纪录。该类有机分离膜打破了国外垄断,每年创造经济效益>3亿元/年,CO2减排>20万吨,获2010年国家科技进步二等奖(第一获奖单位)、2013年国家优秀发明专利奖、2013年侯德榜化工科学技术奖。

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图5. 大连石化含烃复杂尾气膜回收装置(左)和浙江合盛氯甲烷膜回收利用系统(右)


实验室创新成果为国防建设和国家安全科技创新做出贡献
① 低频宽带特种阻尼橡胶
潜艇是各国掌握制海权的重要武器,研制新一代具有低频宽带特征的声隐身材料已成为确保未来型号潜艇安全的关键因素。实验室通过对阻尼集成橡胶分子结构、序列结构以及聚集态结构的精确设计,实现了对阻尼特征峰的“峰位、峰高、峰宽”的有效调控,成功地创制了具有低频宽带特性的高性能阻尼集成橡胶,获国防专利,完成了百吨级阻尼集成橡胶的规模化生产制备,成功研制了潜艇声隐身所需的新一代消声瓦,低、高频带吸声系数均高于军方设计值5%,实现了“厚度薄、质量轻、频带宽、吸收强”的目标。

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图6. 阻尼集成橡胶

杂萘联苯聚芳醚腈砜高性能树脂
既耐高温又可溶解、综合性能优异的特种高分子材料,是航空和国防等领域急需的精细材料。实验室近年研究的高分子量杂萘联苯聚芳醚腈砜(PPENS)系列新型高性能树脂,由于引入强极性氰基侧基,使其耐热性、阻燃性、机械强度等均有显著提高,与日本出光兴产株式会社产品PENTM相比,Tg提高140℃以上、热变形温度高出110℃以上,不仅能热成型加工,还能通过溶解制漆、涂料、膜等,而生产成本降低30%以上。目前PPENS系列高性能树脂已得到应用:如航天天线罩连接环表面防护耐400℃以上的耐高温隔热涂料、适用于井下高温强酸恶劣环境的采油用加热电缆、航空用多功能膜、耐高温漆包线、绿色环保耐高温高频覆铜板、全钒液流储能电池用阴离子交换膜等,获2011年国家技术发明二等奖(第一获奖单位)。

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图7. 杂萘联苯聚芳醚腈砜树脂耐高温特种零部件

在未来的几年中,实验室在继续保持纺织染料等精细化工研究优势的基础上,进一步强化基础研究和技术创新能力,提升生物分子识别染料、太阳能转换染料、精细高分子产品及环境友好精细化工新技术等方面的研究水平,积极培育和发展新的学科增长点,在更高的起点上引领和支撑我国精细化工领域的科学创新和产业发展。
热忱欢迎海内外从事精细化工科学研究的青年学子和优秀人才来实验室工作、学习,共谱精细化工新篇章!

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