作者:高鑫等 来源:《德国应用化学》 发布时间:2022/1/10 10:21:00
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荧光“纳米温度计”探秘微波诱导热点效应

 

近日,天津大学高鑫教授、李洪教授课题组采用微波透明的温敏荧光材料制备“纳米温度计”,成功实现了微波场中微观热点的捕捉和热点温度的准确测量。

2021年12月5日,该研究以“Watching Microwave-Induced Microscopic Hot Spots via the Thermosensitive Fluorescence of Europium/Terbium Mixed-Metal Organic Complexes”为题,发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

文章的第一作者是天津大学博士研究生赵振宇和硕士研究生申茜,天津大学为唯一通讯单位。

一直以来,如何准确测量微波场中的温度是科学家们想要攻克的难题,也是学术界在讨论微波“热效应”和“非热效应”的焦点所在。尽管在宏观尺度上光纤探头等技术可以解决微波场温度测量的问题,但在微观尺度上的温度测量仍是一个巨大的挑战,而往往微波能量的特殊效应无一不是体现在微观尺度的分子或颗粒上(如已在强化催化反应、材料合成和化工分离等领域展现出优势的微波诱导热点效应)。同时,在利用微波诱导热点效应时缺乏定量控制手段,使其不能充分发挥最佳的作用效果,如同“黑箱”。因此,开发微观尺度微波场中热点温度的测量技术和热点效应的定量调控方法对于微波能化工应用领域发展具有重要意义。

近日,天津大学高鑫教授、李洪教授课题组,从化学工程角度出发,提出了微波场中热点温度预测的理论模型,采用微波透明的温敏荧光材料制备“纳米温度计”,成功实现了微波场中微观热点的捕捉和热点温度的准确测量,在验证所提出的理论模型的基础上,揭示了微波场诱导热点效应的定量调控规律。

微波辐射会对吸波型固体颗粒进行选择性加热,在微观尺度形成高于周边溶液温度的局部高温区。该研究利用传热方程和微波加热方程,建立了能够预测微波诱导局部热点温度的数学模型。搭建了微观热点测试系统用于模型验证:制备具有良好阻抗匹配性能且吸波性能可调的固体颗粒,作为构建微波诱导微观热点的热源;在颗粒表面负载铕和铽的双金属有机配合物,利用其在543 nm和614 nm处的荧光特征峰随温度升高呈现不同强度变化趋势的特点,制成荧光“纳米温度计”,准确测量微尺度下颗粒在微波场中的实际温度;在微波辐射的特定溶液中,捕捉负载荧光“纳米温度计”的吸波粒子的荧光光谱,通过光谱计算得到温度与光纤温度计测得溶液主体温度的比较,实现了热点强度的定量化表征。

微观热点测试实验结果充分验证了本研究提出理论模型的准确性和适用性,同时研究结果表明提升颗粒介电损耗和电场强度可以提升微观热点处的温度梯度,而增大溶液热导率和减小颗粒尺寸则会弱化微观热点效应。

本研究为微波辅助材料合成、催化反应、低温热解、化工分离等过程条件的精确调控提供了方法策略,并为微波响应智能化工过程的开发提供了理论基础。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1002/anie.202114340

 
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