化工智能设计研究团队

一、科研团队简介：

随着5G、大数据、人工智能的迅猛发展，给传统的化学、化工科研带来了崭新的机遇和挑战。对四大化学和三大化工传递提出了新时代的科研要求。为此，本团队结合已有的科研力量、各成员的研究特长、以及学院的发展需求，制定了“2系统”+“2平台”的研发领域与研究方向：(1) 智能材料发现系统；（2）过程模拟研发系统；（3）精准医疗开发平台；（4）智能化学实验平台。团队通过计算模拟和实验测试相结合，对相关材料的设计、材料基因的探索，工艺流程的优化等方面进行系统性的研究。

领军人物：庹先国教授

团队成员：范华军（美），欧阳立志（美），尚建平，陈咏梅，付琳

二、近年研究方向：

1.智能材料发现系统

本系统是基于材料基因工程的材料结构表达，通过设计离散晶体结构的表征系统，在合理限制条件下，对现有数据库遍历晶体搜索；结合密度函DFT和第一性原理计算晶体的物理性质，利用机器学习来加速晶体结构空间的搜索，实现基于CalPHAD的微尺度结构和性能的预测。

1）基于材料基因工程的材料结构表达

2）使用第一性原理计算晶体的物理性质，预判结构与性能的内在关系，

3）基于第一性原理计算和实验的机器学习加速晶体结构空间的搜索

4）基于CalPHAD的微尺度结构预测

5）开发基于粗粒模型、集群扩展和机器学习（CG+CE+ML）对材料的结构、性能、稳定性等进行快速判断的工具包，为比如高镍、无钴锂电池正极材料、含硅负极材料的研发提供新手段。

6）基于机器学习对不同防腐材料的结构性能的预测（affinity，polarity，structural，nano-composition，solvation，metal surface）

7）基于机器学习方法的新型Ni/Co-M (M= W, Mo, Fe, Zn, Sn, etc.)双原子催化剂的设计与开发，揭示金属助剂对Ni/Co原子位点电荷环境、配位环境及对催化剂性能的调控作用，为新型Ni/Co-M (M= W, Mo, Fe, Zn, Sn, etc.)双原子催化剂提供理论支撑。

2.过程模拟研发系统 （process modeling）

本系统通过全物理模拟3D打印过程和后处理过程的模拟（FDM/SLS）对打印模型的物理性质进行材料结构模型和力学，热力学性质等评估，

1）对所使用的固定床反应器进行模型化，可以实现整个过程的优化设计和操作，根据不同反应体系，不同反应器类型，模型都是不同的，反应器模型里就包括反应的反应动力学，每个反应体系的动力学模型都是不同的，那么反应器模型就不同，比如改性凹凸棒土资源化利用过程的强化与优化

2）无机盐结晶过程强化及设备研发。通过借助机器学习和自然语言处理算法，探索结晶成核、生长动力学规律，获取如成核、生长活化能、成核、生长级数等动力学参数，构建无机盐溶液结晶体系的动力学数据库，为优化无机盐结晶工艺条件及设备制造提供指导。

3）微通道反应的模拟和实验验证

4）全物理模拟3D打印过程模拟： FDM/SLS

5）打印模型的物理性质评估。

i.材料结构模型；ii.力学，热力学性质

6）3D打印后处理过程模拟

7）研发多喷头、独立控制的3D打印技术，从技术、硬件和软件实现个性化药物的打印精度要求

8）在上述反应器反应动力学研究基础上，进一步对反应器内流场进行CFD仿真模拟，为消除反应器内流场死区，促进反应器内传质效应提供理论支撑。

3. 精准医疗开发平台

本平台是基于机器学习研究致病的基因突变、并实现对多种肿瘤的精确诊断，同时使用3D 打印微米尺度成型技术进行可编程药物延迟释放的研发，实现药物的精准释放，对3D药物形貌、材质对释放机理的研发。研究内容包括了

1）基于3D 打印微米尺度成型技术的可编程药物延迟释放，食品级3D打印机和软件的设计，多头打印喷头，尤其是多药物组分还要考虑药物隔绝填充成分的探索，根据药物成分的需求（同时溶解，还是延时溶解）设计药物的3D形貌的研究，药物的缓释溶解曲线与3D形貌、隔绝物材质的关系的测试。

2）计算机辅助设计基于IP受体激动剂的肺动脉高压新药的研发。

3）基于碳量子点、石墨烯量子点构筑超灵敏性全固态荧光探针对早期阿兹海默患者 (tau蛋白、β-淀粉样蛋白)或心血管病患内体内(心肌钙蛋白I)致病蛋白进行精准检测和诊断，为现有医疗体系对着两类疾病早期精确诊断和治疗提供新方法。

4.智能化学实验平台

本平台包含了对化学实验仪器设备虚拟化的智能管理以及和智能化学实验软件平台开发两大方面。具体研发环节包括：智能化学原料存储管理、化学原料输运操作管理、仪器设备操作管理、实验操作自动化、自动化学反应设计平台、反应进程监控测试管理、实验文档系统等。

1）构建酯化反应、糖化学反应数据库（ORD open reaction database，谱图），基于单糖类化合物，通过各种保护基与反应性质的量化计算作为理论支撑，分析各类含糖基或具备类糖结构药物的药效活性或化学反应性质与分子结构之间的关系，重点研究葡萄糖衍生物开链反应结构形式以及构建不同糖基或类糖衍生物的高效合成方法，为进一步构建活性糖基药物分子提供方法学支撑和物质基础。

2）构建羟烷基化-烷基化反应、羟醛缩合反应数据库。基于生物质平台化合物，以开发新型航空煤油前驱体为目的，通过这两类反应的量化计算作为理论支撑，分析各类航空煤油前驱体结构与其物理性质或燃烧性质之间的关系，重点研究带支链或环状结构航空煤油前驱体高效非均相催化合成方法，为进一步发展低凝固点、高能量密度可再生航空煤油前驱体绿色催化路线提供方法学支撑和物质基础。

3）化学实验仪器设备智能以及虚拟化（虚拟实验室-教务处，）

i.智能化学原料存储管理；ii.化学原料输运操作管理；iii. 仪器设备操作管理

4）智能化学实验软件平台开发

i.实验操作自动化；ii.自动化学反应设计平台；iii.反应进程监控测试管理；iv.实验文档log系统。

5.可再生高品质燃油或精细化工品合成

i.精准剪切催化废弃高分子塑料制备柴油机喷气燃料。

ii.催化呋喃类化合物经羟烷基化-烷基化反应，在经加氢脱氧制备喷气燃料。

iii.催化生物质油加氢脱氧制备航空煤油。

iv.催化不可食用油脂(棕榈酸)选择性加氢制备脂肪醇(鲸蜡醇)亦或十六醛。

三、代表性项目/成果：

· 高镍锂电池正极材料的热力学稳定性的理论探索, HX2021279

· 3D打印缓释药物工艺研究，SYZ202133

· 展毛野牡丹重要园艺性状的遗传解析与新品种开发（重点），    18YYJC1750。

· 氧化石墨烯/环氧树脂复合涂层的制备，HYJH-2102-B。

· 凹凸棒土催化臭氧化降解聚丙烯酰胺废水的研究，17ZA0273。

· Fan, H.-J. and Hall, M. B. High-Spin Ni(II), a Surprisingly Good Structural Model for [NiFe] Hydrogenase Journal of the American Chemical Society 124(3), 394-395, 2002,

· Fan, H.-J. and Hall, M. B.  A Capable Bridging Ligand for Fe-Only Hydrogenase: Density Functional Calculations of a Low-Energy Route for Heterolytic Cleavage and Formation of Dihydrogen, Journal of the American Chemical Society, 123 (16), 3828-3829, 2001,

· Haenel, M.W.; Oevers, S., Angermund, K.; Kaska, W.C.; Fan, H.-J.; Hall, M.B. Thermally Stable Homogeneous Catalysts for Alkane Dehydrogenation Angewandte Chemie-International Edition 40(19), 3596-3600, 2001,

· T. Purnima A. Ruberu, Haley R. Albright, Brandon Callis, Brittney Ward, Joana Cisneros, Hua-Jun Fan, and Javier Vela, "Molecular Control of the Nanoscale: Effect of Phosphine–Chalcogenide Reactivity on CdS–CdSe Nanocrystal Composition and Morphology", ACS Nano, 2012, 6 (6), pp 5348–5359

· Rong-rong Li, Jia-jie Cao, Yang-ru Huang, Yu-feng Yao, Ze-kai Zhang, Hua-Jun Fan, Jia Zhao, De-man Han, Polyionic Liquids (PIL) Promoted Ce Doped ZnO for the Photocatalytic Degradation of Rhodamine B (RhB), Chemistry Select, August 2019, 4(36):10748-10755

· Yi Jin, Qi Zhou, Zhenghui Li, Zehui Yang, Hua-Jun S. Fan, Calcium-Cross Linked  Polysaccharide Microcapsules for Controlled Release and Antimicrobial Applications, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 600(5) September 2020, 125025

· Xing Yong Liang, Jing Yang, Zhong-Hao Qiu; Lei Wang, Todd L Lowary, Hua-Jun Shawn Fan, “4,6-di-O-Benzylidenyl group-directed preparation of 2-deoxy-2-azido-a-D-galactopyranosides promoted by 3-O-TBDPS”, Carbohydrate Research (Available online 28 January 2021, 108237)

· Tao Li, Bin Xie, Jia-Xi Cao, Dong-Liang Zhang, Chuan Lai, Hua-Jun Fan, Bin Zhao, Wen-Yu Mou, Xiao-Xue Bai, Heteroleptic dmit nickel complexes with bis(diphenylphosphanyl)amine ligands as robust molecular electrocatalysts for hydrogen evolution Applied Organometallic Chemistry, (First published: 22 December 2020)

· Zhou, Guoquan; Chen, Ke; Yang, Zehui; Shao, Danfeng; Fan, Hua-Jun "Research on the 2-Chloro-4-Amino-6,7-Dimethoxyquinazoline Solubility in tweleve mono-solvents at Various Temperatures: Measurement, Correlation and Thermodynamic Studies" Journal of Chemical & Engineering Data, 11/23/2020 published

· Xiaoguo Zhang, Fengzhen Zhang, Wei Zhang, Xiuhua Tang, Hua-Jun Shawn Fan “Enhance the interaction between ammonium polyphosphate and epoxy resin matrix through hydrophobic modification with cationic latex”, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 610(5) February 2021, 125917

· Ben Yao, Zhining Xu, Jianan Liu, etc. Design a viable 3DP processing for producing effective controlled-release pesticide, American J Sci., Eng. Techno. 2023, 8, 33-41. 

· Lin Fu, Zhaoxin Liu, Xin Li, etc. Boosting bio-lipids deoxygenation via tunable metal-support interaction in nickel/ceria-based catalysts, Fuel, 2022, 322, 124027.

· Lin Fu, Wenxia Ba, Yongfei Li, etc. Hydrodeoxygenation of non-edible bio-lipids to renewable hydrocarbons over mesoporous SiO2-TiO2 supported NiMo bimetallic catalyst, Appl. Catal. A, Gen. 2022, 633, 118475.

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· Hongjuan Tang, Yongfei Li, Lin Fu, etc. A highly-efficient KF-modified nanorod support ZrCe oxide catalyst and its application, ChemCatChem 2018, 10, 4739-4746. 

四、团队成员构成：