清华大学化工系魏飞

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魏飞，博士。现任清华大学化工系教授、博士生导师，北京市“绿色化学反应工程和技术”重点实验室主任，清华大学长江学者特聘教授。研究领域包括多相流和多相流反应堆。魏教授赢得过很多荣誉和奖励，如国家杰出青年科学奖（1996 ），中国青年特殊贡献奖（1997 ），1999 年被国家教育部授予“杰出科学家”荣誉称号。有超过 200 篇著作和论文出版。



清华大学 教授 长江学者特聘教授，反应工程实验室主任
办公电话： 86-10-62785464
办公地址：北京清华大学工物馆
电子邮件： wf-dce@tsinghua.edu.cn
教育及工作经历：
1980石油大学炼制系学士。
1987石油大学化工系硕士。
1990石油大学化工系博士。
研究方向：气固流化床;碳纳米管及纳米功能材料;工业催化与反应过程强化新过程


社会兼职：
1.2007 Asia Particle Technology Conference, APT2007，Beijing，2007.9，大会主席。
2.Tsinghua-Cornell nano technology forum, 2006.11, Beijing，会议主席。
3.9th Sino-Japan Symposium on Fluidization, 2006.8, Beijing，会议主席。
4.Third Sino-US Conference on Chemical Engineering，Beijing, 2000.9，秘书长。
5.96 China-Japan Symposium on Particology，秘书长。
6.6th China-Japan Symposium on Fluidization，秘书长。
7.首届全国颗粒学年会，秘书长。
8.中国颗粒学会理事。
科学研究：
①研究方向：
1.气固多相流测量方法气固湍动流化床气固并流下行床碳纳米管及纳米粉体技术绿色化工技术；
2.单壁阵列碳纳米管结构控制、批量生产及复合；
3.多级纳米结构催化剂及在煤制烯烃及芳烃过程中应用；
4.烷烃脱氢催化剂及新型反应器；
5.多晶硅及新能源材料制备过程；
6.碳纳米管储能技术。
②承担科研项目情况：
先后承担国家自然科学重大、重点项目、杰出青年基金项目及中石化攻关项目等科研项目十余项，
1.丙烯腈主装置成套国产化技术工业应用。
2.丙烯腈成套技术开发。
3.无机粉体的结晶、分散习性与工程应用研究。
4.基于纳米聚团原理的高纯度碳纳米管制备基础研究。
5.10万吨/年苯胺大型化成套技术与应用。
③主要成就：
魏飞教授在多相流反应工程方面完成了齐鲁4万吨/年5.6米直径反应器新型分布器及高桥化工厂2.8米直径工业反应器新型分布器工业试验，创经济效益5200万元。高密度循环流化床工业中试等大型工业工程项目科研。石化总公司的技术鉴定认为达到国际先进水平。开发的磷光颗粒示踪技术、光纤一维成像分析技术及激光多普勒高浓度测速技术使所从事的气固并流下行床研究及高密度提升管研究取得了很多的进展，其中，气固并流下行床研究经同行专家鉴定认为达到国际领先水平。
荣誉奖励
1.1996年获教育部优秀年轻教师基金。
2.1996年获第三届中国优秀博士后（“国氏”十佳）奖。
3.1996年获清华大学学术新人奖。
4.1996年获国家杰出青年科学奖。
5.1997年获中国青年特殊贡献奖。
6.1997年获国家自然科学基金杰出青年基金。
7.1997年获教育部跨世纪优秀人才。
8.1998年获第六届中国青年科技奖。
9.1999年获长江学者奖励计划教授。
10.1999年获“杰出科学家”荣誉称号。
11.1999年获第一届中国颗粒学会“青年颗粒学奖”。
12.2000年获教育部长江学者。
13.2002年获北京市“五四”青年奖章。
14.2002年获国家科技进步二等奖。
15.2001年获中国石油化工集团科技进步一等奖。
16.2006年获教育部自然科学一等奖。
17.2006年获全国优秀博士后。
18.2006年获北京市优秀教师。
19.2007年获中国石油化工集团公司科技进步一等奖。
20.2008年获中国石化集团公司科技进步一等奖。



代表性著作：
1. Multi-phase chemical reaction engineering and technology, Tsinghua University Press, 2006,Editors: Yong Jin and Wei Fei
2. Fluidization'06 Science and Technology, Editors: Fei Wei and Masayuki Horio ,2006.9
·代表性论文 ：
1. Qiang Zhang, Meng-Qiang Zhao, Dai-Ming Tang, Feng Li, Jia-Qi Huang, Bilu Liu, Wan-Cheng Zhu, Ying-Hao Zhang, and Fei Wei, Carbon-Nanotube-Array Double HelicesAngew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 1 – 5 DOI: 10.1002/anie.200907130 (hot paper)
2. Meng-Qiang Zhao, Qiang Zhang, Xi-Lai Jia, Jia-Qi Huang, Ying-Hao Zhang, and Fei Wei, Hierarchical Composites of Single/Double-Walled Carbon Nanotubes Interlinked Flakes from Direct Carbon Deposition on Layered Double Hydroxides,Adv. Funct. Mater.2010, 20, 677–685.(front cover story)
3. Yi Liu, Wei-zhong Qian, Qiang Zhang, Guo-qing Ning, Qian Wen, Guo-hua Luo, Fei Wei,The confined growth of double-walled carbon nanotubes in porous catalysts by chemical vapor deposition,Carbon, 46(2): 291-296,2008
4. Wen Qian, Qian Weizhong, Wei Fei, Liu Yi, Ning Guoqing, Zhang Qiang. CO2-Assisted SWNT Growth on Porous Catalysts.Chemistry of Materials2007, 19(6): 1226-1230.
5. Guoqing Ning, Fei Wei, Qian Wen, Guohua Luo, Yao Wang, and Yong Jin, Improvement of Fe/MgO Catalysts by Calcination for the Growth of Single- and Double-Walled Carbon Nanotubes,J of Physical Chemical B, 110 (3): 1201-1205, 2006.1
6. Fei Wei, Xiaotao Wan, Yongqi Hu, Zhiguo Wang, Yanhui Yang, Yong Jin, A pilot plant study and 2-D dispersion-reactor model for a high-density riser reactor,Chemical Engineering Science, 2001.7, 56 (2) pp. 613-620.
7. Yi Cheng, Fei Wei, Yincheng Guo, Yong Jin, CFD simulation of hydrodynamics in the entrance region of a downer,Chemical Engineering Science, 2001.7, 56 (4) pp. 1687-1696
8. Wei Fei, Lin Shixiong and Yang Guanghua, Gas and Solids Mixing in a Commercial FCC Regenerator,Chemical Engineering & Technology, 1993.3, 16(3), p109-113
·代表性专利：
1. 一种纳米聚团流化床连续化制备碳纳米管的方法及其反应装置，魏飞，王垚，罗国华，余皓，李志飞，骞伟中，汪展文，金涌，PCT/CN02/00044，2002.1.29
2. 气固并流下行与上行耦合的催化裂化反应工艺及反应装置，魏飞，罗国华，李志强，金涌，ZL02103833.3
3. 利用下行床反应器进行烃类催化热裂解的方法，魏飞、张琪皓、李强、邓任生、金涌，02125216.5
4. 一种由甲醇或二甲醚生产低碳烯烃的工艺方法及其系统，魏飞;高雷;罗国华;金涌，ZL01144188.7
5. 苯胺制备与催化剂再生联立装置，骞伟中、潘正中、魏飞、张伟，董安城，2004.20115831.5

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报告题目:        碳纳米结构控制、宏量制备与在储能中的应用

开始时间:        2018-04-14 09:30:00

报告地点:        实验一楼第一会议室

报 告 人:        清华大学化工系教授、杰青、长江学者魏飞

主办单位:        华东理工大学材料科学与工程学院

         
备    注:       
碳纳米材料如石墨烯、碳纳米管等是由于其高的比表面积、化学稳定性及导热、导电特性近年来发展十分迅速的纳米材料。
本报告首先对碳纳米管的可控生长进行了研究，发现可在TOF达1061/s条件下实现半米长碳纳米管的无缺陷生长，这一生长过程符合最可几失活关系。并可得到强度高于80GPa的碳纳米管高强纤维束。通过对纳米金属催化剂底部生长机制的认识，设计了层状介孔单晶材料稳定金属的方法，制备出了阵列碳纳米管、碳纳米管双螺旋结构及石墨烯碳纳米管杂化物，并对批量制备不同类型的碳材料进行了分析。最后对于碳纳米材料在超级电容、锂电池等方面的应用进行了介绍。

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超长碳纳米管的未来——访清华大学教授魏飞

超长碳纳米管的可控制备方法与缺陷策略

魏飞教授表示，目前的可控制备方法只有气流生长、漂浮的顶端生长。并向我们阐释了超长碳纳米管的发现过程。魏飞教授表示，最早戴宏杰老师在一篇文章中发现其可以长长一点，随后刘杰老师、北大的李岩老师、张杰老师以及清华的张开立、周崇武老师都一直从事这方面的工作。对于超长碳纳米管的缺陷策略问题，魏飞教授表示，超长碳纳米管材料如果做成纯半导体的，将来要实现作为器件使用，就要保障它本身不能有缺陷。

碳纳米材料应用与难点

一个材料的生产就是为了更好的应用，碳纳米管还有哪些方面的应用呢？魏飞教授表示：“碳纳米管除了应用于功能性材料，还应用于高强度材料：碳纤维目前被认为是世界上最强的材料，但是碳纳米管强度是它的15倍。”

“超长碳纳米管的制备难点在于其本身细，导致其控制难度加大，正所谓牵一发而动全身，碳纳米管在制备时不能有一点的缺陷，否则其强度就没有了”，魏飞教授说。魏飞教授还表示：现在想要研究制作这种近乎完美的材料还有许多的难关要克服，路漫漫其修远兮。

碳材料的产业化方向

产业化问题一直以来是行业发展所关心的问题，近些年来产业化问题也取得了些许进步。但是，产业化的道路上还存在生产成本高、制作工艺复杂等问题。对于中国产业化需要面临的难关，魏飞教授表示：产业化的道路上还是要一步一个脚印。产业化面临的问题众多，需要科研院校和企业共同努力、分工合作：即学校提出方向，企业把控技术难题。最后魏飞教授表示强调，产业化之路还有很长的路要走。

在我们的采访结束不久，魏飞教授团队传来好消息，他们与清华大学航空航天学院的李喜德教授团队合作，在超强碳纳米管纤维领域取得重大突破——在世界上首次报道了接近单根碳纳米管理论强度的超长碳纳米管管束，其拉伸强度超越已知所有其他纤维。魏飞教授介绍，研究团队采用气流聚焦法，制备出具有确定组成、结构完美且平行排列的厘米级连续超长碳纳米管，然后另辟蹊径，将管束的拉伸强度提高到80GPa以上，接近单根碳纳米管的拉伸强度，并证明随碳纳米管根数增加，强度可以保持。用这种方法制备超强碳纳米管束的新方法，与该团队的超长碳纳米管的宏观制备方法结合，可研制出超长且超强碳纳米管纤维，为下一代结构材料的产业化奠定基础，超长纤维有望在大飞机、大型运载火箭、超级建筑等多个领域大显身手。这项成果的问世标志我国碳材料产业又出现了新的生机，使我国的科研水品在世界上又领先了一步，魏飞教授团队和李喜德教授团队的付出也得到了应有的回报。

a、碳纳米管管束示意图；b、所用到的超长碳纳米管的结构；c、利用气流聚焦法制备超长碳纳米管管束的示意图；d、超长碳纳米管在聚焦气流下发生合并的模拟图；e-i、所制备的具有确定组成的超长碳纳米管管束；j-k、所制备的碳纳米管管束的力学性质；l、超长碳纳米管管束与其他材料拉伸强度对比图

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Nature Nanotecnology封面：超高拉伸强度的碳纳米管管束

清华大学的张如范、李喜德教授以及魏飞教授的联合团队在超强碳纳米管纤维领域首次报道了接近单根碳纳米管理论强度的超长碳纳米管管束。该研究利用原位气流聚焦法实现了厘米级连续碳纳米管管束的制备，这种新型管束具有确定的组成、完美的结构以及平行的排列状态，可以规避由于碳纳米管内部结构缺陷和杂乱取向而引起的纤维强度下降。据研究统计分析，这种管束的拉伸强度可以提高到80GPa以上，超过了所有已知的纤维材料。这项工作揭示了碳纳米管用于制造超强纤维的潜在前景，为发展新型超强纤维奠定了基础。

文献链接：Carbon nanotube bundles with tensile strength over 80 GPa（Nature Nanotechnology, 2018, DOI: 10.1038/s41565-018-0141-z）

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清华大学魏飞教授通过直接表面氮化工艺，然后进行化学气相沉积（CVD）碳生长，制备了由Si，Si3N4和高石墨化碳组成的蛋状结构复合材料(Si@Si3N4@C)。所提出的技术的关键特征如下：首先，与前一种方法不同，首先采用直接表面氮化来引入结晶致密的Si3N4层，然后进行CVD工艺以涂覆高质量的碳层。两步气固反应可以避免液体体系中表面积增加的问题。此外，具有高强度和韧性的Si3N4层充当缓冲层以有效地缓解体积变化，从而保持结构稳定性，并且高质量的碳层改善了整体导电性。研究了Si3N4层对促进Li扩散的影响，并提出了可能的原因。蛋状结构复合阳极具有高容量，优异的循环稳定性和倍率性能和高初始库伦效率。相关研究成果“Si@Si3N4@C composite with egg-like structure as high-performance anode material for lithium ion batteries”为题发表在Energy Storage Materials上。

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主讲人简介：
魏飞教授，现为清华大学长江学者特聘教授、反应工程实验室主任，先后发表论文600余篇，SCI他引4万余次，是汤森路透近三年材料领域高被引科学家之一，也是Elsevier化工高被引学者。获教育部“长江学者”特聘教授、国家杰出青年基金等。目前已成功实现气固下行床催化裂化、纳米聚团床批量生产碳纳米管、高速湍动床甲醇制芳烃、苯胺、氯乙烯、丙烯腈、间苯二腈等30台新概念反应器产业化，研究成果获国家科技进步二等奖（2002年、2008年）、中石化科技进步一等奖、教育部自然科学、技术发明一等奖。


报告摘要：
本报告首先对碳纳米管的可控生长进行了研究，发现可在TOF达106 1/s条件下实现半米长碳纳米管的无缺陷生长，这一生长过程符合最可几失活关系。并可得到强度高于80GPa的碳纳米管高强纤维束。可利用这种完美结构的碳纳米管进行单碳碳键断裂的检测及皮牛级力的测量。通过对纳米金属催化剂底部生长机制的认识，设计了层状介孔单晶材料稳定金属的方法，制备出了阵列碳纳米管、碳纳米管双螺旋结构及石墨烯碳纳米管杂化物，并对批量制备不同类型的碳材料进行了分析。最后对于碳纳米材料在传感、超级电容、锂电池等方面的应用进行了介绍。

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近日，清华大学化工系魏飞教授和张如范副教授团队受邀在美国化学会旗下的《材料研究评述》（Accounts of Material Research）期刊上发表综述论文《无缺陷碳纳米管/管束的力学行为》（Mechanical Behavior of Single and Bundled Defect-free Carbon Nanotubes）。论文通讯作者为魏飞教授和张如范副教授，第一作者为清华化工系2021届博士毕业生白云祥（现为国家纳米科学中心A类特别研究助理）和2020级硕士生岳鸿杰。该综述合作者还包括清华化工系骞伟中教授和国家纳米科学中心张忠研究员。
        超强材料可应用于防弹衣、机身、舰载阻拦索、飞轮储能等诸多领域。碳纳米管是目前人类发现的最强的材料之一，在制备超强纤维方面有着巨大的潜力。然而，缺陷对碳纳米管的抗拉强度有着很大的影响，目前制备的碳纳米管纤维的强度远低于单根碳纳米管的强度，表现出“尺寸效应”。无缺陷超长碳纳米管有望帮助我们避免纳米材料的“尺寸效应”，制备出超强碳纳米管纤维。传统的固体力学研究通常基于材料含有缺陷的假设，而无缺陷的超长碳纳米管将为研究具有非定域“量子应力奇点”的理想固体的力学行为提供一个理想的体系。

图1 超长碳纳米管/管束及其应用概览

       文章首先介绍了作为超长碳纳米管的无缺陷结构，它也是一种理想固体。其次，综述了单根厘米级长度的无缺陷碳纳米管的静态拉伸性能、动态疲劳性能及其与温度的关系。然后，介绍了通过利用气流聚焦原位合成方法和同步张弛强化策略，成功制备了拉伸强度接近单根碳纳米管的碳纳米管管束。此外，还讨论了碳纳米管用于飞轮储能的优势和应用前景。最后，文章对该领域的面临的挑战与下一步研究方向进行了总结与展望。
        Accounts of Materials Research创刊于2020年10月（月刊），主要发表简明扼要的评论性综述文章以及前瞻性观点，文章聚焦于作者自己的研究，旨在向读者介绍系统的研究工作。Accounts of Materials Research和美国化学会现有的综述期刊Accounts of Chemical Research和Chemical Reviews一起组成新的高影响力综述期刊平台。
         过去二十年间，魏飞教授和张如范副教授团队在超长碳纳米管生长机理、结构可控制备、性能表征和应用探索方面开展了大量研究，并取得了一系列重要突破。团队曾制备出单根长度达半米以上的碳纳米管，并具有完美结构和优异性能，并可实现99.9999%半导体性高纯度。此外，团队首次发现了宏观长度碳纳米管管层间的超润滑现象，并实现了单根碳纳米管宏观尺度下的光学可视化及可控操纵，制备出了强度高达80 GPa的碳纳米管管束，发现了单根碳纳米管的超耐疲劳性质。以上成果相继发表在《科学》（Science）、《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)、《自然·通讯》（Nature Communications）、《化学会评论》（Chemical Society Reviews）、《化学研究评述》（Accounts of Chemical Research）、《先进功能材料》（Advanced Materials）、《美国化学学会·纳米》（ACS Nano）、《纳米快报》（Nano Letters）等国际期刊上。
        论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.1c00120