封面介绍
复杂流体中的分子、固体颗粒、气泡、液滴和固体表面间的相互作用在工程过程中起着至关重要的作用。这些发生在分子水平、纳米尺度和微观尺度上的相互作用，显著地影响和决定了相关工程过程的宏观性能和效率。专题涵盖了各种工程过程中涉及的典型分子间和表面间相互作用，以及纳米机械技术，如原子力显微镜和用于定量复杂流体中分子间和表面间相互作用的表面力仪；综述了近年来在矿物浮选、石油工程、废水处理、储能材料等工程体系中分子间和表面间相互作用的研究进展；讨论了这些基本的相互作用机制与解决工程挑战中的实际应用之间的相关性，并对未来研究领域进行前景展望。
电化学方法环境友好，在有机化学合成中具有独特的优势。然而，传统的电化学反应器存在复杂的传递问题，限制了电化学方法的应用。近年来，微反应技术在电合成研究中的应用缩短了离子的传递距离并增加了电极的比表面积，从而促成了高效、连续且易于规模化的电合成技术。本文从过程强化的角度讨论了在电合成中使用微通道的工程优势，分析了最近报道的电化学微反应器中的流型和传质行为，并列举了反应器放大的典型例子。作为一个相对较新的研究领域，在微反应器中进行电合成的许多科学规则和工程特征都有待研究。因此本文提出了潜在的研究重点，认为其对新型电合成技术的发展至关重要。
一维（1D）铂基电催化剂对氧还原反应（ORR）展现出了良好的催化活性和稳定性。基于一维铂基纳米结构阵列的三维（3D）有序电极的研究进展表明，它们在解决现有铂/碳（Pt/C）纳米颗粒电极在高性能质子交换膜燃料电池（PEMFC）的传质特性和持久性挑战方面具有巨大的潜力。本文综述了该领域的最新进展，重点介绍了基于独立的铂纳米线阵列的三维有序结构电极，讨论了纳米结构薄膜（NSTF）催化剂以及沉积在聚合物纳米线、碳和二氧化钛纳米管阵列上的铂基纳米颗粒电极，并回顾了铂基纳米管阵列电极的研究进展。本文指出了一维催化剂纳米结构的尺寸、表面性质和分配控制的重要性。最后，讨论了一维纳米结构阵列电极在增大电化学比表面积（ECSA）和氧传质阻力定量研究方面面临的挑战和未来的发展机遇。
结晶是用于固体颗粒制备的基本分离技术，其中成核和生长过程的精确调控至关重要。目前，发展同时增强整个结晶过程的新型控制技术仍然面临巨大挑战。膜结晶（MCr）是一种新兴耦合技术，近年来取得了长足的进步，有望实现上述目标。本文综述了MCr的基本概念及其在结晶控制和过程强化中的应用前景，对MCr用的关键膜材料、过程控制机制以及基于多种混合膜和结晶工艺的优化策略进行简述。最后，概述了将MCr技术推广到工业应用的尝试，以及需要解决的问题和研究方向。
在复杂流体中，化学试剂、固体颗粒、气泡、液滴和固体表面间的相互作用在许多工程过程中起着至关重要的作用，如泡沫浮选、乳液和泡沫形成、吸附、污垢、防污现象等。这些在分子、纳米和微观尺度上的相互作用显著地影响并决定了相关工程过程的宏观性能和效率。理解工程过程中的分子间和表面间相互作用具有基础和实际意义，这不仅改善了生产技术，而且为新材料的开发提供了有价值的见解。本文首先介绍了各种工程过程中涉及的典型分子间和表面间相互作用，包括Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（DLVO）相互作用（即范德华相互作用和双电层相互作用）和非DLVO相互作用（如空间位阻和疏水相互作用）。本文简要介绍了用于测量复杂流体中分子间和表面间相互作用力的原子力显微镜和表面力仪等纳米力学技术；综述了近年来我们对矿物浮选、石油工程、废水处理、储能材料这些工程体系中分子间和表面间相互作用的研究进展；讨论了这些基本相互作用机制与解决工程挑战中的实际应用之间的相关性，并对未来的研究领域进行前景展望。
为了生产高端化学品和资源回收而进行共沸物分离的必要性，促使人们对化学工业中新分离方法的开发进行了大量研究。本文基于化学链的概念，借助可逆反应辅助精馏技术，提出了一种绿色可持续的共沸物分离方法。化学链分离（CLS）方法的核心概念是选择一种既能与共沸物发生反应，又能通过逆反应进行循环利用的反应物，以闭合回路并实现共沸物分离。本文旨在从分离原理、反应物选择和案例分析（如烯烃、烷烃、芳烃和多元醇产品的分离）等的基础上，为CLS方法的基本理论和应用提供一个有益的见解。本文为产品精制和共沸体系分离过程中的化学分离工艺的过程的强化提供指导和参考，以促进化工行业的可持续发展。
苯甲醛是一类重要化学品，在医药、化学合成和食品等领域具有广泛应用。然而，苯甲醛的生产过程通常涉及三氟甲苯或乙腈等危险溶剂的使用，并且，苯甲醛在水相反应体系中的转化率，尤其是选择性一直是难点。因此，开发一种环境友好的苯甲醛合成工艺具有极其重要的意义。在本文中，我们通过在磷酸功能化的石墨相氮化碳（g-C3N4）纳米片上负载磷钨酸成功制备了新型光催化剂（PW12-P-UCNS，其中，PW12为H3PW12O40·xH2O，P-UCNS为磷酸修饰的超薄石墨相氮化碳）。选取水相中苯甲醇光氧化制备苯甲醛的反应为模型反应，在室温条件下，对PW12-P-UCNS的催化性能进行了系统探究。所制备的PW12-P-UCNS光催化剂在2 h内的转化率为58.3%，选择性为99.5%，可重复使用5次以上，且活性未发生明显损失。同时，本文揭示了PW12-P-UCNS催化模型反应的Z型机理，系统分析了催化剂的光电流和光化学阻抗性能，并通过电子自旋共振测试和自由基捕获实验证明了超氧自由基和光生空穴是其主要反应活性物质。基于此，所设计的PW12-P-UCNS光催化剂对于在温和条件下通过水相光氧化反应生产苯甲醛具有广阔的应用前景。
本文从催化剂微结构和动力学角度，认识和理解碳纳米管和α-Al2O3负载Pd催化乙炔半加氢反应的载体效应。动力学分析、XPS、H2-TPR、TPHD和原位XRD研究结果表明：与α-Al2O3相比，碳纳米管作为载体降低了催化剂Pd0 3d的电子结合能且抑制了氢化钯物种的形成，从而显著提高了目标产物乙烯的收率。进一步结合XAS、HRTEM、C2H4-TPD和DFT计算，发现碳纳米管负载的催化剂中Pd纳米颗粒次表面存在碳原子，这种独特的局域环境能显著弱化目标产物乙烯的吸附，有利于乙炔半加氢反应的发生。这些研究结果预示着调变Pd催化剂的局域环境和电子性质是一种构筑乙炔半加氢Pd催化剂的有效策略。
本研究基于斜拉桥和矮塔斜拉桥的拉索安全性评估，为比较斜拉桥和矮塔斜拉桥提供了新的观点。由于二者都使用拉索，人们通常认为这两种类型的桥梁具有相同的结构。但是，国际桥梁设计标准规定了二者各自的拉索安全系数。为了纠正这一误解，本研究通过考虑各种异常因素和破坏因素（如过载、钢索损耗和钢索腐蚀）的影响，对在疲劳和极限状态下的拉索的安全系数进行了比较。本研究的主要目的是解释两种类型桥梁之间的结构差异，并通过采用确定性和非确定性方法来评估其结构冗余。为了实现这一目标，根据日本现行的拉索设计指南，本文建立了两座桥的三维模型。在达到桥梁模型的平衡状态之后，以参数化方式对拉索的不同安全系数进行了静态分析。最后，采用一阶可靠性方法和蒙特卡洛方法确定了拉索的可靠性指标。分析结果表明，在相同的荷载条件下，斜拉桥和矮塔斜拉桥在不同安全系数下具有不同的结构冗余度。此外，随着拉索的安全系数的增加，其结构上的冗余大大增加。
由于气体分离膜具有高能效、相对较低的成本和环境影响，通过气体分离膜捕集二氧化碳（CO2）变得越来越具有吸引力。在过去的十年中，人们开发了基于聚乙烯胺（PVAm）的促进传递（FT）膜来捕集CO2。本文讨论了聚乙烯胺促进传递膜应用于发电厂和水泥厂的燃烧后CO2捕集从材料到工艺的挑战。我们可以基于先前中试示范中获得的经验来指导设计其他类型的膜捕集CO2。特别强调了组件和工艺设计对实现高性能膜系统的重要性。此外，过程模拟和成本估算的结果表明，三级膜系统对于实现95％的高CO2纯度是可行的。我们发现单位CO2的捕集成本在很大程度上取决于所需的CO2捕集率，在50％的中等CO2捕集率下，捕集每吨CO2的成本为63.7美元。因此，我们发现FT膜系统对于部分CO2捕集更具竞争力。