近日，华东理工大学化工学院膜科学与工程许振良教授团队，与美国约翰霍普金斯大学、普林斯顿大学等单位合作，开发了一套原子层沉积（ALD）反应器多尺度模型，可用于预测ALD（原子层沉积）反应器尺度高真空流体流动、传热、传质过程和衬底纳米孔道内薄膜沉积过程。该研究工作以“介孔衬底内薄层生成的原子层沉积过程的数值模拟”为题，以封面形式发表于《美国化学工程师协会会刊》，被期刊评为“顶级”，同时将作为2021年8月“编辑之选”论文在期刊主页宣传一个月。
美国约翰霍普金斯大学迈克•萨帕希斯教授和威斯康辛大学的马小立教授前期开发了“配体诱导选择性渗透法（LIPS）”，制备了高性能沸石咪唑酯骨架丙烯-丙烷气体分离膜。然而，针对配体诱导选择性渗透法中ALD（原子层沉积）工艺，如何进行优化，来降低纳米介孔内氧化锌沉积深度的同时，保证衬底横截面上沉积的均匀性，是沸石咪唑酯骨架气体分离膜制备过程能否成功放大的关键。
针对沸石咪唑酯骨架气体分离膜制备过程优化和放大问题，华理化工学院青年教师庄黎伟博士在美国约翰霍普金斯大学留学期间，联合皮特•科克里博士、丹尼斯•李博士，共同建立了维易科-萨瓦纳S200型号ALD（原子层沉积）反应器模型和γ-氧化铝介孔内扩散-反应-薄膜沉积模型，开展了ALD（原子层沉积）反应器和衬底的传递-反应耦合模拟研究。该多尺度模型可以精确预测ALD（原子层沉积）阀门在15毫秒内的前驱体脉冲量，供气系统、腔体内前驱体/载气的流体流动、传热和传质，以及衬底纳米孔道内薄膜沉积深度和分布。同时，该数值模拟研究证明了膜制备过程中反应器传递过程与衬底扩散反应过程的弱耦合作用，提出了评判耦合强弱分界线的临界沉积通量。相关研究为沸石咪唑酯骨架丙烯-丙烷气体分离膜、基于ALD（原子层沉积）技术的各类分离膜制备过程的优化和放大问题奠定了理论和技术基础；同时，相关模型和模拟方法，对芯片、光伏、燃料电池、催化剂等基于ALD（原子层沉积）技术的制备过程有普遍化应用价值，可直接用于各类商业化ALD（原子层沉积）反应器的优化和新型ALD（原子层沉积）反应器的开发。
上述研究工作第一和通讯作者为庄黎伟博士，共同第一作者为约翰霍普金斯大学皮特•科克里博士和丹尼斯•李博士，共同通讯作者为美国工程院院士迈克•萨帕希斯教授。计算模拟研究得到了美国工程院院士亚尼斯•凯夫雷基迪斯教授及其团队升俊•李博士（约翰霍普金斯大学）和马哈迪•科赫克博士（普林斯顿大学）的协助。华理化工学院许振良教授在膜制备与结构控制等方面、戴干策教授在流体力学与传递过程等方面，给予了大力指导与帮助。研究工作得到了美国能源部、中国国家自然科学基金委（面上项目和青年项目）和中国留学基金委的资助。庄黎伟长期从事过程装备的反应-传递模型与模拟研究：在膜分离过程与膜组件方面的研究发表在《美国化学工程师协会会刊》和《膜科学》等期刊，在反应器方面的研究覆盖搅拌器、射流环流器、气升式环流器、喷淋塔等各类反应器，涉及领域包括化工、环境、能源、医药等。
原文链接：
https://aiche.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aic.17305
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