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如何开展科研工作?. —— 科研实践(教训)和体会. 精细化工研究室 徐杰 2008 年 9 月 2 日. 目 录. 一、科研 方向和课题选择 二、信息收集和 阅读文献 三、研究思路和实验设计 四、证据收集和结果分析 五、归纳总结. 分析数据总结规律整理发表. 不断创新. 不断丰富. 不断凝练. 不断完善. 理出思路制定方案设计实验. 寻找课题关键问题和突破口. 收集课题相关的信息和知识. 选择科研方向和研究的课题. 选择课题. 收集信息. 发现问题. 解决问题. 归纳总结. 一、科研方向和课题选择. 1. 科学研究的重要环节.
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如何开展科研工作? —— 科研实践(教训)和体会 精细化工研究室 徐杰 2008年9月2日
目 录 一、科研方向和课题选择 二、信息收集和阅读文献 三、研究思路和实验设计 四、证据收集和结果分析 五、归纳总结
分析数据总结规律整理发表 不断创新 不断丰富 不断凝练 不断完善 理出思路制定方案设计实验 寻找课题关键问题和突破口 收集课题相关的信息和知识 选择科研方向和研究的课题 选择课题 收集信息 发现问题 解决问题 归纳总结 一、科研方向和课题选择 1. 科学研究的重要环节 从学习到发现和创造
2. 科研方向和课题的选择 (1)选择科研课题的重要性: 需要注意的问题: (1)选题要恰当 防止选题过大、过难,这 样的课题完不成;防止选 择过小过易不重要课题。 (2)课题有兴趣 (3)来源有依据 文献信息、学术交流、社 会需求等,通过科学分析 判断决定,防止死循环。 (4)基础要充分 包括科学积累、技术、设 备条件和经 费保障等,防 止选择没有实施条件课题 ——决定科研领域和主攻方向; ——是科研成败的关键因素; ——是积累和产生知识的源泉。 (2)如何选择科研方向和课题: ——重要性:核心或关键科学问题; ——新颖性:科学技术的发展前沿; ——实用性:生产实践和社会需求。 需要全局把握能力、丰富知识积累
课题研究的背景 了解动态和现有水平 科学意义和应用需求 掌握课题的关键问题 研究现状和发展趋势 熟悉课题的研究方法 关键问题和研究方法 提出科研思路和方案 二、信息收集和阅读文献 收集信息目的和方法 课题信息内容 (1)来源单一:除文献外,会议、报告和交流等。 (2)信息片面:注意课题优势,不注意局限性;注 意引用国外进展,不注意国内、所内和组内。 (3)内容和形式简单:注意结果,不注意实质。 需要注意问题:
2. 容易产生的误区 (1)重点抓不住 理解片面表面,不了解文献的重点和 突破口,只关心内容、数据和结果。 (2)核心抓不准 不关注文献思路和方法,断章取意; 以局部代替全局,不了解精髓和实质 (3)权威和时效 不了解最新、最具有代表性进展和成 果,以个别观点和早期结果为参照。 (4)过渡依赖和盲从 对文献不分析判断,不会区分证实、 推测、估计的关系。简单依赖仿制。 代表人物和代表性观点 新颖、重要、全面 了解最新研究进展; 学习重要方法思路; 全面掌握经验成果; 科研进展的参照系。 阅读文献的“得与失” 1. 巨人的肩膀 你的研究工作要想超过前人,就需要站在巨人的肩膀上继续去攀登。 巨人在哪里?高度有多少?
1. 从模仿到创造 (1)无思路时:从文献中获得启示;寻找文献中存在的关键问题;发展改进文献的方法。注意防止泛泛理解、学习而不借鉴;接受而不消化。与自己的研究相隔离。不找局限性和不足,无法获得新启示。 (2)有思路时:检验思路的优势、新颖性和创造性,跟踪最新文献和研究思路的冲突。防止夜郎自大,自我陶醉和盲目乐观。 三、研究思路和实验设计 文献为中心?跟着文献走? 科学无国界,只有第一没有第二 建立研究思路 制定研究方案 解决关键问题 设计关键实验 建立创新方法
实验设计需要注意的问题 • 实验目的要清楚:能够说明要解决的关键问题,为阐明研究思想提供证据。避免盲目性。 • 实验方案要可行:提高成功率,减少浪费。 • 实验设计要合理:科学性强,方法严谨,提高说理性和可靠性。从多层面、多角度进行设计,避免实验手段单一、主观性和随意性。 • 实验手段要先进:增强结果的可信度。
氧化产物 选择氧化产品 --分子量增加 --附加值提高 主要用途 领域 醇、醚类 液体燃料 能源 烃类 醛酮酸类 化纤聚酯 材料 选择氧化过程 --效率最低 --选择性最差 环氧、过氧 精细化工 资源 发展战略:节约资源—清洁生产 完全氧化 废水处理 环境 示例分析:烃类选择氧化
产品 PTA 乙二醇 环己酮 环氧丙烷 需求 1130 532 73 62 产量 430 126 29 21 进口 700 406 44 41 依存度% 62 76 60 66 中国聚酯产能(万吨/年) 02 03 04 05 重要氧化产品市场需求 2005年中国聚酯产能2500万吨; 原料紧张,每年进口量千万吨, 耗资数千亿元,成为发展瓶颈。 90%以上通过氧化制备。重要产 品进口依存度达50%以上。 2006年几种典型聚酯原料的需求(万吨/年)
环己烷氧化技术需求(DSM/HPO) 全球95%以上环己酮是采用 荷兰矿业公司(DSM)技术。 该技术是最成熟工业技术。 国内多套大型工业生产装 置采用该技术。 (1)DSM/HPO技术分两步:氧化和分解;总收率76-81%。 (2)氧化过程的转化率为3.5-4.2%,是反应效率的决定步骤。 (3)分解过程的选择性87-88%,是影响物耗的主要瓶颈。 挑战:(1)物耗大,19-24%资源浪费,被转化为污染物。 (2)分解过程消耗碱150-180Kg/T,形成的碱渣污染。 (3)生产效率低,难扩产,没有自主知识产权。
巴陵公司氧化反应装置 10万吨/年,6×60-80 m3的氧化反应器
选择氧化的科学挑战 1.烃和分子氧的化学键惰性大,活化困难 C-H键:键能356 kJ/mol,键能差10-30 kJmol; O-O键:键能494 kJ/mol,三重态,电子自旋平行。 2.电子态不相匹配,反应困难 (1)烃类和分子氧的反应是自旋禁阻的; (2)常温下,C-H活化与O-O键的活化很难相匹配。 U. Schuchardt认为:“尽管对环己烷氧化过程的催化剂研究已经作了很多的努力,但以氧气(或空气)为氧源的环己烷氧化过程仍将面临着挑战”(见Appl. Catal. A, 211,1-17,2001)。
选择氧化技术的共性问题 1. 产品:需求量大,对外进口依存度高 重要产品的进口依存度达60%,进口耗资千亿元/年。 2. 过程:装置大,效率低,传质困难。 (1)环己烷氧化反应单程转化率很低。 (2)反应装置大,强放热,容易飞温。反应传质困难。 3. 技术:资源浪费,环境污染 氧化是选择性最低的反应过程;资源浪费,污染严重。 4. 生产:没有自主产权,扩产改造困难 没有自主知识产权,扩产改造费用高。
1. 开发选择氧化催化新材料 3. 节约资源,提高效率 2. 开发选择氧化新工艺和新技术 选择氧化的研究关键问题
非极性 极性 分子的极性依次增加 催化剂 环己烷 氧化产物 非极性 催化新材料设计思路——提高氧化选择性 偶极矩: 0 1.86D 2.87D 4.14D
催化剂 OG OG OG OG OG OG OG 非极性催化表面上的反应设想 (1)非极性催化剂表面有利于提高选择性; (2)极性催化剂表面容易发生过度氧化反应。
亲水体系 亲油体系 传统催化材料应用面临的困难 晶格氧的活泼性 NiO FeO MnO Cr2O3 ZnO Cu2OAg2O CeO2 La2O3 MoO3 WO3 V2O5 PdO Mn2O3 Fe2O3 Co3O4 CuO RuO4 OsO4 SeO2 ?
3、实施方案和实验设计 • 有机修饰纳米催化新材料 • 研究目的: • (1)增强表面亲油性; • (2)提高在原料中的溶解性; • (3)减少结焦,防止堵塞,提高选择性。 • 研究对象: • (1)纳米孔催化新材料:分子筛等; • (2)纳米粒子催化新材料:金属氧化物等; • (3)表面的有机功能化修饰。
纳米催化新材料研究方案 (1)合成纳米孔材料:MCM-41、MeAPO-5; (2)合成纳米粒子: Co3O4、Mn3O4、ZrO2; (3)有机修饰方法: Si(OH)x Ry,键合置换等; R = -CH3、-Ph-X, x+y = 4 。 (4)溶解性能: 与取代基种类和数量的关系; (5)疏水性: 表面接触角变化规律; (6)稳定性: 耐热、耐水和耐酸性能。
证据收集 提高动手能力和实验技能,确保数据可靠性。 提高数据的利用率,研究分析数据之间的关系。 注重观察实验现象,善于发现新的科学问题。 通过思考和逻辑推理,概括和归纳数据规律。 勤于思考,勇于探索,不断完善和修正。 对于具有规律数据群,进行内插和外推验证。 透过数据和实验的表面现象,揭示内在本质。 提高实验数据的客观性、规律性和充分性研究。 四、证据收集和结果分析 提供素材和材料的过程 材料的雕刻和加工过程 结果分析
介孔材料的合成 甲基修饰的Zr-MCM-41 Zr-MCM-41-CH3 Zr-MCM-41
介孔材料表面有机修饰溶解能力 (1) (2) 油 相 油 相 水 相 水 相 Au/MCM-41的XRD图 Au/MCM-41亲油性修饰照片(1)修饰后;(2)修饰前
44.01o 57.01o 84.51o Ph-20 Ph-0 Ph-10 106.00o 110.50o Ph-30 Ph-40 催化剂表面的有机修饰和疏水性 不同含量有机基团修饰前后催化剂表面变化和疏水能力
双功能化有机修饰介孔材料 Sample:(a) HMS;(b) Co-HMS;(c) Co-HMS-Ph20
引言和文献 论点:提出需要解决的关键问题和重要性 实验和结果 论据:设计实验为解决问题提供客观证据 结果讨论 论证:根据实验结果解释、发现内在规律 结论:提出自己对本质的认识和新的观点 结论 五、归纳和总结 论文要素
结束语 在科学发现和探索的道路上, 需要的不仅是兴趣和热情, 还有勤奋努力坚韧不拔的意志。 享受的不仅是成功和喜悦, 还有默默无闻潜心学问的过程。 勤奋敬业的态度观察与思考习惯 诚实严谨的学风 探索和追求精神 祝我们不断学习,不断进步!