如何開展科研工作

1、如何開展科研工作？如何開展科研工作？精細化工研究室精細化工研究室徐杰徐杰2008年年9月月2日日 科研實踐（教訓）和體會科研實踐（教訓）和體會目目 錄錄一、科研一、科研方向和課題選擇方向和課題選擇二、信息收集和二、信息收集和閱讀文獻閱讀文獻三、研究思路和實驗設計三、研究思路和實驗設計四、證據收集和結果分析四、證據收集和結果分析五、歸納總結五、歸納總結一、科研方向和課題選擇一、科研方向和課題選擇收集信息收集信息收集課題收集課題相關的信相關的信息和知識息和知識發(fā)現(xiàn)問題發(fā)現(xiàn)問題尋找課題尋找課題關鍵問題關鍵問題和突破口和突破口選擇科研選擇科研方向和研方向和研究的課題究的課題選擇課題選擇課題解決問題解決

2、問題理出思路理出思路制定方案制定方案設計實驗設計實驗歸納總結歸納總結分析數據分析數據總結規(guī)律總結規(guī)律整理發(fā)表整理發(fā)表1. 科學研究的重要環(huán)節(jié)科學研究的重要環(huán)節(jié)不斷豐富不斷豐富不斷凝練不斷凝練不斷創(chuàng)新不斷創(chuàng)新不斷完善不斷完善從學習到發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造從學習到發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造2. 科研方向和課題的選擇科研方向和課題的選擇（1）選擇科研課題的重要性：）選擇科研課題的重要性：（2）如何選擇科研方向和課題：）如何選擇科研方向和課題： 重要性：核心或關鍵科學問題；重要性：核心或關鍵科學問題； 新穎性：科學技術的發(fā)展前沿；新穎性：科學技術的發(fā)展前沿； 實用性：生產實踐和社會需求。實用性：生產實踐和社會需求。 決定科研領域

3、和主攻方向；決定科研領域和主攻方向； 是科研成敗的關鍵因素；是科研成敗的關鍵因素； 是積累和產生知識的源泉。是積累和產生知識的源泉。需要注意的問題：需要注意的問題：（1 1）選題要恰當）選題要恰當防止選題過大、過難，這防止選題過大、過難，這樣的課題完不成；防止選樣的課題完不成；防止選擇過小過易不重要課題。擇過小過易不重要課題。（2 2）課題有興趣）課題有興趣（3 3）來源有依據）來源有依據文獻信息、學術交流、社文獻信息、學術交流、社會需求等，通過科學分析會需求等，通過科學分析判斷決定，防止死循環(huán)。判斷決定，防止死循環(huán)。（4）基礎要充分基礎要充分包括科學積累、技術、設包括科學積累、技術、設備條件

4、和經備條件和經 費保障等，防費保障等，防止選擇沒有實施條件課題止選擇沒有實施條件課題需要全局把握能力、豐富知識積累需要全局把握能力、豐富知識積累二、信息收集和閱讀文獻二、信息收集和閱讀文獻課題信息內容課題信息內容課題研究的背景課題研究的背景研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢關鍵問題和研究方法關鍵問題和研究方法科學意義和應用需求科學意義和應用需求（1）來源單一：）來源單一：除文獻外，會議、報告和交流等。除文獻外，會議、報告和交流等。（2）信息片面：）信息片面：注意課題優(yōu)勢，不注意局限性；注注意課題優(yōu)勢，不注意局限性；注 意引用國外進展，不注意國內、所內和組內。意引用國外進展，不注意國內、所內和

5、組內。（3）內容和形式簡單：）內容和形式簡單：注意結果，不注意實質。注意結果，不注意實質。需要注意問題：需要注意問題：收集信息目的和方法收集信息目的和方法了解動態(tài)和現(xiàn)有水平了解動態(tài)和現(xiàn)有水平熟悉課題的研究方法熟悉課題的研究方法提出科研思路和方案提出科研思路和方案掌握課題的關鍵問題掌握課題的關鍵問題閱讀文獻的閱讀文獻的“得與失得與失”1. 巨人的肩膀巨人的肩膀你的研究工作要想超過你的研究工作要想超過前人，就需要站在巨人前人，就需要站在巨人的肩膀上繼續(xù)去攀登的肩膀上繼續(xù)去攀登。 巨人在哪里？高度有多少？新穎、重要、全面新穎、重要、全面了解最新研究進展；了解最新研究進展；學習重要方法思路；學習重要方

6、法思路；全面掌握經驗成果；全面掌握經驗成果；科研進展的參照系?？蒲羞M展的參照系。代表人物和代表性觀點代表人物和代表性觀點2. 容易產生的誤區(qū)容易產生的誤區(qū)（1）重點抓不?。┲攸c抓不住理解片面表面，不了解文獻的重點和理解片面表面，不了解文獻的重點和突破口，只關心內容、數據和結果。突破口，只關心內容、數據和結果。（2）核心抓不準）核心抓不準不關注文獻思路和方法，斷章取意；不關注文獻思路和方法，斷章取意；以局部代替全局，不了解精髓和實質以局部代替全局，不了解精髓和實質（3）權威和時效）權威和時效不了解最新、最具有代表性進展和成不了解最新、最具有代表性進展和成果，以個別觀點和早期結果為參照。果，以個別

7、觀點和早期結果為參照。（4）過渡依賴和盲從）過渡依賴和盲從對文獻不分析判斷，不會區(qū)分證實、對文獻不分析判斷，不會區(qū)分證實、推測、估計的關系。簡單依賴仿制。推測、估計的關系。簡單依賴仿制。三、研究思路和實驗設計三、研究思路和實驗設計文獻為中心？跟著文獻走？文獻為中心？跟著文獻走？科學無國界，只有第一沒有第二科學無國界，只有第一沒有第二1. 從模仿到創(chuàng)造從模仿到創(chuàng)造（1）無思路時：）無思路時：從文獻中獲得啟示；尋找文從文獻中獲得啟示；尋找文獻中存在的關鍵問題；發(fā)展改進文獻的方法。獻中存在的關鍵問題；發(fā)展改進文獻的方法。注意防止泛泛理解、學習而不借鑒；接受而注意防止泛泛理解、學習而不借鑒；接受而不消

8、化。與自己的研究相隔離。不找局限性不消化。與自己的研究相隔離。不找局限性和不足，無法獲得新啟示。和不足，無法獲得新啟示。（2）有思路時：）有思路時：檢驗思路的優(yōu)勢、新穎性和檢驗思路的優(yōu)勢、新穎性和創(chuàng)造性，跟蹤最新文獻和研究思路的沖突。創(chuàng)造性，跟蹤最新文獻和研究思路的沖突。防止夜郎自大，自我陶醉和盲目樂觀。防止夜郎自大，自我陶醉和盲目樂觀。建立研究思路建立研究思路制定研究方案制定研究方案解決關鍵問題解決關鍵問題設計關鍵實驗設計關鍵實驗建立創(chuàng)新方法建立創(chuàng)新方法實驗設計需要注意的問題實驗設計需要注意的問題1. 實驗目的要清楚：實驗目的要清楚：能夠說明要解決的關鍵問能夠說明要解決的關鍵問題，為闡明研究

9、思想提供證據。避免盲目性。題，為闡明研究思想提供證據。避免盲目性。2. 實驗方案要可行：實驗方案要可行：提高成功率，減少浪費。提高成功率，減少浪費。3. 實驗設計要合理：實驗設計要合理：科學性強，方法嚴謹，提科學性強，方法嚴謹，提高說理性和可靠性。從多層面、多角度進行高說理性和可靠性。從多層面、多角度進行設計，避免實驗手段單一、主觀性和隨意性。設計，避免實驗手段單一、主觀性和隨意性。4. 實驗手段要先進：實驗手段要先進：增強結果的可信度。增強結果的可信度。示例分析：烴類選擇氧化示例分析：烴類選擇氧化醇、醚類醇、醚類 醛酮酸類醛酮酸類環(huán)氧、過氧環(huán)氧、過氧完全氧化完全氧化烴類烴類氧化產物氧化產物液

10、體燃料液體燃料化纖聚酯化纖聚酯精細化工精細化工廢水處理廢水處理主要用途主要用途能源能源材料材料資源資源環(huán)境環(huán)境領域領域選擇氧化產品選擇氧化產品-分子量增加分子量增加-附加值提高附加值提高選擇氧化過程選擇氧化過程 -效率最低效率最低 -選擇性最差選擇性最差發(fā)展戰(zhàn)略：節(jié)約資源發(fā)展戰(zhàn)略：節(jié)約資源清潔生產清潔生產 20052005年中國聚酯產能年中國聚酯產能25002500萬噸；萬噸； 原料緊張，每年進口量千萬噸，原料緊張，每年進口量千萬噸， 耗資數千億元，成為發(fā)展瓶頸。耗資數千億元，成為發(fā)展瓶頸。 90%90%以上通過氧化制備。重要產以上通過氧化制備。重要產 品進口依存度達品進口依存度達50%50%

11、以上。以上。20062006年幾種典型聚酯原料的需求（萬噸年幾種典型聚酯原料的需求（萬噸/ /年）年）產品產品PTAPTA乙二醇乙二醇環(huán)己酮環(huán)己酮環(huán)氧丙烷環(huán)氧丙烷需求需求1130113053253273736262產量產量43043012612629292121進口進口70070040640644444141依存度依存度% %6262767660606666重要氧化產品市場需求重要氧化產品市場需求中國聚酯產能（萬噸中國聚酯產能（萬噸/年）年）氧化過程在聚酯合成中應用氧化過程在聚酯合成中應用乙烯PET聚聚酯酯氧化氧化水合水合氧化氧化加氫水合氧化加氫氧化加氫己己內內酰酰胺胺氧化氧化PTT聚聚酯酯尼

12、尼龍龍 66環(huán)己烷氧化技術需求（環(huán)己烷氧化技術需求（DSM/HPO）全球全球95%95%以上環(huán)己酮是采用以上環(huán)己酮是采用 荷蘭礦業(yè)公司荷蘭礦業(yè)公司(DSM(DSM）技術。）技術。該技術是最成熟工業(yè)技術。該技術是最成熟工業(yè)技術。 國內多套大型工業(yè)生產裝國內多套大型工業(yè)生產裝 置采用該技術。置采用該技術。（1）DSM/HPO技術分兩步：氧化和分解；總收率技術分兩步：氧化和分解；總收率76-81%。（2）氧化過程的轉化率為）氧化過程的轉化率為3.5-4.2%，是反應效率的決定步驟。，是反應效率的決定步驟。（3）分解過程的選擇性）分解過程的選擇性87-88%，是影響物耗的主要瓶頸。，是影響物耗的主要瓶

13、頸。挑戰(zhàn)：（挑戰(zhàn)：（1）物耗大，）物耗大，19-24%資源浪費，被轉化為污染物。資源浪費，被轉化為污染物。 （2）分解過程消耗堿）分解過程消耗堿150-180Kg/T，形成的堿渣污染。，形成的堿渣污染。（3）生產效率低，難擴產，沒有自主知識產權。）生產效率低，難擴產，沒有自主知識產權。環(huán)己烷OOH五釜反應器空氣環(huán)己基過氧化氫堿，催化劑三釜反應器OHO環(huán)己醇環(huán)己酮（KA油）巴陵公司氧化反應裝置巴陵公司氧化反應裝置10萬噸萬噸/年，年，660-80 m3的氧化反應器的氧化反應器選擇氧化的科學挑戰(zhàn)選擇氧化的科學挑戰(zhàn)U. Schuchardt認為：認為：“盡管對環(huán)己烷氧化過程的催化劑研究盡管對環(huán)己烷氧

14、化過程的催化劑研究已經作了很多的努力，但以氧氣（或空氣）為氧源的環(huán)己烷已經作了很多的努力，但以氧氣（或空氣）為氧源的環(huán)己烷氧化過程仍將面臨著挑戰(zhàn)氧化過程仍將面臨著挑戰(zhàn)” ” （見（見Appl. Catal. A， 211，1-17，2001） 。 1.烴和分子氧的化學鍵惰性大，活化困難烴和分子氧的化學鍵惰性大，活化困難 C-H鍵：鍵能鍵：鍵能356 kJ/mol，鍵能差，鍵能差10-30 kJmol； O-O鍵：鍵能鍵：鍵能494 kJ/mol，三重態(tài)，電子自旋平行。，三重態(tài)，電子自旋平行。2.電子態(tài)不相匹配，反應困難電子態(tài)不相匹配，反應困難 （1）烴類和分子氧的反應是自旋禁阻的；）烴類和分子

15、氧的反應是自旋禁阻的； （2）常溫下，）常溫下，C-H活化與活化與O-O鍵的活化很難相匹配。鍵的活化很難相匹配。 選擇氧化技術的共性問題選擇氧化技術的共性問題1. 1. 產品：需求量大，對外進口依存度高產品：需求量大，對外進口依存度高 重要產品的進口依存度達重要產品的進口依存度達60%60%，進口耗資千億元，進口耗資千億元/ /年。年。2. 2. 過程：裝置大，效率低，傳質困難。過程：裝置大，效率低，傳質困難。 （1 1）環(huán)己烷氧化反應單程轉化率很低。）環(huán)己烷氧化反應單程轉化率很低。 （2 2）反應裝置大，強放熱，容易飛溫。反應傳質困難。）反應裝置大，強放熱，容易飛溫。反應傳質困難。3. 3.

16、 技術：資源浪費，環(huán)境污染技術：資源浪費，環(huán)境污染 氧化是選擇性最低的反應過程；資源浪費，污染嚴重。氧化是選擇性最低的反應過程；資源浪費，污染嚴重。4. 4. 生產：沒有自主產權，擴產改造困難生產：沒有自主產權，擴產改造困難 沒有自主知識產權，沒有自主知識產權，擴產改造費用高。擴產改造費用高。選擇氧化的研究關鍵問題選擇氧化的研究關鍵問題催催化化新新材材料料非非金金屬屬體體系系溶溶解解度度好好不不結結焦焦不不堵堵塞塞管管道道1. 開發(fā)選擇氧化催化新材料開發(fā)選擇氧化催化新材料氧氧化化新新工工藝藝微微反反應應體體系系傳傳質質性性能能好好移移熱熱速速度度快快活活塞塞流流進進料料2. 開發(fā)選擇氧化新工藝

17、和新技術開發(fā)選擇氧化新工藝和新技術提提高高轉轉化化率率清清潔潔生生產產提提高高選選擇擇性性運運行行平平穩(wěn)穩(wěn)應應用用于于環(huán)環(huán)己己烷烷氧氧化化過過程程3. 節(jié)約資源，提高效率節(jié)約資源，提高效率催化新材料設計思路催化新材料設計思路提高氧化選擇性提高氧化選擇性COOHCOOHOHO偶極矩：偶極矩： 0 1.86D 2.87D 4.14D分子的極性依次增加分子的極性依次增加非極性非極性極性極性非極性非極性OGOGOGOGOGOG催化劑催化劑OHO非極性催化表面上非極性催化表面上的反應設想的反應設想（1）非極性催化劑表面有利于提高選擇性；）非極性催化劑表面有利于提高選擇性；（2）極性催化劑表面容易發(fā)生過度

18、氧化反應。）極性催化劑表面容易發(fā)生過度氧化反應。傳統(tǒng)催化材料應用面臨的困難傳統(tǒng)催化材料應用面臨的困難金屬氧化物的電負性增加，親核能力增強烯烴加成2.02.53.03.5電負性烯烴氧化氧化脫氫OAs2O5PdOMgO2.8MoO3 WO3V2O5 PdOMn2O3 Fe2O3Co3O4 CuONiO FeO MnOCr2O3 ZnOCu2O Ag2OCeO2 La2O3晶格氧的活潑性晶格氧的活潑性親水體系親水體系親油體系親油體系3、實施方案和實驗設計、實施方案和實驗設計1.1.有機修飾納米催化新材料有機修飾納米催化新材料 研究目的：研究目的：（1）增強表面親油性；）增強表面親油性；（2）提高在原

19、料中的溶解性；）提高在原料中的溶解性；（3）減少結焦，防止堵塞，提高選擇性。）減少結焦，防止堵塞，提高選擇性。 研究對象：研究對象： （1）納米孔催化新材料：分子篩等；）納米孔催化新材料：分子篩等；（2）納米粒子催化新材料：金屬氧化物等；）納米粒子催化新材料：金屬氧化物等；（3）表面的有機功能化修飾。）表面的有機功能化修飾。 納米催化新材料研究方案納米催化新材料研究方案（1）合成納米孔材料：合成納米孔材料：MCM-41、MeAPO-5；（2）合成納米粒子：合成納米粒子： Co3O4、Mn3O4、ZrO2；（3）有機修飾方法：有機修飾方法： Si(OH)x Ry，鍵合置換等；鍵合置換等； R =

20、 -CH3、-Ph-X，x+y = 4 。（4）溶解性能：）溶解性能：與取代基種類和數量的關系；與取代基種類和數量的關系；（5）疏水性：）疏水性：表面接觸角變化規(guī)律；表面接觸角變化規(guī)律；（6）穩(wěn)定性：）穩(wěn)定性：耐熱、耐水和耐酸性能。耐熱、耐水和耐酸性能。四、證據收集和結果分析四、證據收集和結果分析結果分析結果分析證據收集證據收集提高動手能力和實驗技提高動手能力和實驗技能，確保數據可靠性。能，確保數據可靠性。勤于思考，勇于探索，勤于思考，勇于探索，不斷完善和修正。不斷完善和修正。提高實驗數據的客觀性、提高實驗數據的客觀性、規(guī)律性和充分性研究。規(guī)律性和充分性研究。注重觀察實驗現(xiàn)象，善注重觀察實驗現(xiàn)

21、象，善于發(fā)現(xiàn)新的科學問題。于發(fā)現(xiàn)新的科學問題。提高數據的利用率，研提高數據的利用率，研究分析數據之間的關系。究分析數據之間的關系。對于具有規(guī)律數據群，對于具有規(guī)律數據群，進行內插和外推驗證。進行內插和外推驗證。透過數據和實驗的表面透過數據和實驗的表面現(xiàn)象，揭示內在本質。現(xiàn)象，揭示內在本質。通過思考和邏輯推理，通過思考和邏輯推理，概括和歸納數據規(guī)律。概括和歸納數據規(guī)律。提供素材和材料的過程提供素材和材料的過程材料的雕刻和加工過程材料的雕刻和加工過程介孔材料的合成介孔材料的合成2468100500010000150002000025000300003500040000 2ThetaIZr-MCM-

22、410.05Me0.10Me0.15Me0.20Me100200110甲基修飾的甲基修飾的Zr-MCM-41246810 I2 Theta (degrees)介孔材料表面有機修飾溶解能力介孔材料表面有機修飾溶解能力 Au/MCM-41的的XRD圖圖Au/MCM-41親油性修飾照片親油性修飾照片（1）修飾后；（）修飾后；（2）修飾前）修飾前（1）（2）油油 相相油油 相相水水 相相水水 相相106.00o 110.50o不同含量有機不同含量有機基團修飾前后基團修飾前后催化劑表面變催化劑表面變化和疏水能力化和疏水能力催化劑表面的有機修飾和疏水性催化劑表面的有機修飾和疏水性 PhCo(II)Co(II)Co(II)Co(II)PhPhPhPhPhPhPhPhPhPhPhPhPhPhPhPhPhPhPhPhPhPhPhPhPhPhPhPhPhPhPh246810 Intensity/a.u. 2 theta/degreeabc100Sample：(a) HMS；(b) Co-HMS；(c) Co-HMS-Ph20雙功能化有機修飾介孔材料雙功能化有機修飾介孔材料五、歸納