工业催化:选择性提升策略

工业催化直接或间接贡献了世界GDP的20%-30%,推动了产业变革和社会进步.对于工业催化,开发高活性、高选择性和高稳定性的多相催化剂至关重要,而选择性是最主要的挑战.因为实现催化选择性的精确控制是绿色化学的重要概念之一,更是工业催化可持续发展的重要驱动力;而且,选择性不仅决定了催化过程的原子经济性,也影响到后续分离过程的能耗.针对多数工业催化反应存在'活性越高、选择性越低'的相互制约与矛盾问题,本文以若干能源化工催化反应为例,试图总结催化选择性提升的一般策略,以期为有关工业应用的催化新过程提供科学参考.多相催化一般经历与反应物有关的步骤(反应物的外扩散、内扩散和化学吸附)、与反应有关的步骤(活化和表面反应)、以及与产物相关的步骤(产物脱附、内扩散和外扩散).本文依此归纳并举例说明提高选择性的一般策略.在汽油催化吸附脱硫中,主要利用了催化剂中零价镍-氧化锌耦合活性中心的选择吸附策略,使零价镍优先吸附含硫化合物,从而实现选择性脱硫而不饱和烯烃.在甲苯和甲醇侧链烷基化反应中,主要利用了特定空间分布的酸碱吸附位,实现吸附甲苯和稳定甲醛中间体的协同匹配.在乙苯脱乙基型二甲苯异构化反应中,主要利用了双床层对催化剂功能的分离策略,在不同的择形催化剂床层中分别进行乙苯脱乙基反应和二甲苯异构化反应,从而提高对二甲苯的产量.在苯选择加氢制环己烯反应中,主要利用强化产品脱附的策略,促进环己烯产品从亲水改性的催化剂表面脱附,实现环己烯选择性的提升.这些炼油与化工研究案例中同时存在多个连串-平行反应,主要是利用吸附中心、反应中心在时间或空间上的耦合、解耦或限域策略,调控不同途径的扩散能垒、反应能垒,实现了催化剂选择性的提升.多相催化多是复杂过程,基于提高选择性的初步认识,还要结合具体复杂催化过程,系统研究单策略以及多策略组合作用下的选择催化过程,实现在合理时间尺度、空间尺度上设计高选择性的催化剂,而这本质上是一种介尺度催化.     

H-SAPO-18催化甲醇制烯烃反应的芳烃烃池机理：基于范德华校正的密度泛函理论研究

由于可以从非石油资源如煤、天然气、生物质等出发制备低碳烯烃,分子筛催化甲醇制烯烃(MTO)反应在学术界和工业界引起了广泛的研究兴趣. H-SAPO-34是目前表现优异性能的分子筛催化剂之一,其双烯(乙烯+丙烯)的选择性在80%以上,已经实现了工业化应用.为了提升MTO反应的选择性,以及调控乙烯丙烯的选择性之比,非常有必要从反应机理出发来优化设计新的催化剂.然而,由于MTO催化反应产物复杂多样,对MTO反应机理的认识还存在很大的争议.目前基本能够接受的是MTO催化反应沿着烃池机理进行.在此反应机理中,无机分子筛和有机烃池活性中心形成共催化剂,甲醇进攻有机活性中心生成烷基链,此烷基链断裂得到烯烃产物.目前提出的烃池活性中心主要包括多甲基苯和烯烃自身,它们分别沿着各自的循环反应网络(芳烃循环和烯烃循环)生成烯烃产物.有文献指出在H-ZSM-5分子筛中芳烃循环主要生成乙烯,而烯烃循环主要生成丙烯等产物.因此,系统研究分子筛结构对两条循环网络相对贡献程度的影响规律,从而阐述分子筛结构和MTO催化性能之间的关系具有重要的意义. H-SAPO-18是一类结构上与H-SAPO-34相类似的分子筛,其笼由八元环孔道互联.实验研究指出,其也具有优异的MTO催化性能.在本工作中,我们利用包含范德华相互作用校正的交换相关泛函(BEEF-vdW),系统研究了H-SAPO-18分子筛中的芳烃循环反应机理.所有计算用VASP程序包完成, H-SAPO-18用48T周期性结构模型表示.利用静态吸附和相互转化的自由能变化情况,我们首先确认了反应条件下H-SAPO-18中最稳定的多甲基苯的结构.计算结果指出,1,2,4,5-四甲基苯的吸附能最强,而六甲基苯是主要存在的多甲基苯组分.多甲基苯在分子筛孔道内的稳定性主要由两个相反的作用共同影响：范德华相互作用引起的吸引,以及分子筛孔道结构引起的排斥.在芳烃循环路线中,乙基侧链的增长是反应的关键基元步.吉布斯自由能分析指出芳烃循环路线中,在反应温度673 K下H-SAPO-18中的六甲基苯并不比五甲基苯,四甲基苯的活性高,这与H-SAPO-34分子筛中的结果相一致. H-SAPO-18中的四甲基苯、五甲基苯和六甲基苯的总吉布斯自由能垒分别是208,215,239 kJ/mol.六甲基苯循环路线所表现出的高反应能垒的一个原因,是由于分子筛几何限域效应引起的熵增加所致.通过与烯烃循环路线的动力学进行比较,本文芳烃循环路线动力学的工作可以为MTO催化反应机理的研究提供一些启示.     

基于绿色氢科学理念构筑从低碳制氢到高效储氢的氢能体系

本文从低碳制氢和高效储氢的角度思考及探讨氢能体系绿色化发展过程中的关键科学问题.提出＂绿色氢科学＂理念与＂低碳制氢,高效储氢＂技术发展路线图,以期通过相关科学问题的认识,来构建具有高度原子经济性及可持续性的绿色氢能体系.     

ZnCr2O4/ZSM-5@Silicalite-1优化CO2一步法加氢制芳烃反应选择性

本研究采用外延生长方法制备出核壳结构分子筛ZSM-5@Silicalite-1。相关表征结果显示,惰性Silicalite-1壳层均匀包覆在ZSM-5的外表面,调控了分子筛酸性质,特别是降低了外表面酸性,有利于改善芳烃分布。将ZSM-5@Silicalite-1与Zn-Cr氧化物耦合应用于二氧化碳加氢制芳烃的反应,轻质芳烃(苯、甲苯、二甲苯)在总芳烃中的占比从 ZnCr₂O₄/ZSM-5耦合体系的14.8%显著提高到33.5%。此外,Silicalite-1壳层的疏水性还可有效抑制逆水煤气变换副反应,降低CO的选择性。在优化的壳层厚度下,ZnCr₂O₄/ZSM-5@Silicalite-1耦合体系的芳烃时空收率较ZnCr₂O₄/ZSM-5体系提高了22%。     

聚焦变革中的催化——始终基于解决重大经济社会需求的催化工程问题（英文）

催化是化学工业中最重要和最普遍的跨学科技术,也是具有重要社会影响的学科之一,是一门基于应用、注重实践、与化学工程息息相关的学科.应用、实践是催化的根本,也是其生命力所在,其发展轨迹与人类的历史进程密不可分.从20世纪初Mittasch贡献的高效Fe基催化剂为氮基化肥的大规模推广奠定了基础,到60年代,分子筛裂化催化剂使汽油收率和辛烷值大幅提升,为交通运输业的大力发展奠定了能源基础,推动了交通运输业的革命.从齐格勒和纳塔TiCl_4-AlEt_3体系催化乙烯、丙烯、丁烯等在低压下高收率地聚合,生成分子结构高度规整的立体定向聚合物——聚烯烃,到汽车排气管中的Pt-Rh-Pd三效催化剂,可以通过氧化和还原反应,把废气中的烃类物质和CO转化为水和CO_2,同时把环境危害大的NO_x分解成无害的N_2和O_2,等等.这些催化的印记推动了产业变革和社会进步.可以说,无处不在的催化支撑了人类社会的发展.近年有些突破也发生在我国,使我们更加感受到催化的力量.催化科学与技术是极其复杂的.一方面表现在表面科学的知识和催化反应的物理化学现象建模,材料科学和无机化学以制备合适的纳米结构催化剂;另一方面表现在催化剂成型、反应动力学评价和催化过程建模.这两个方面均涉及原料多样性、催化材料多变性、化工工艺适应性、宏量制备放大效应,以及本征与表观性能关联等复杂问题.但是这些复杂性问题与催化发展的根本相比,或者说,与催化发展的核心驱动力相比,很显然,催化解决重大经济社会问题更应引起关注,这是催化的使命所在.目前,我国催化基础研究走在了世界前列,已经取得了重大突破,李灿等成功组织举办了第16届国际催化大会,包信和、孙予罕等科学家的一系列重大催化基础研究成果在Science、Nature等期刊上发表,李灿、包信和等多名科学家被国际催化相关学术组织颁发荣誉称号,张涛等人一系列重大成果被评为重要进展.与此同时,我国在煤制烃、油品质量升级以及绿色化工等能源化工催化方面取得了重大的工业化成果.这些走在世界前列的重大催化工业化成果驱动了我国经济社会发展.本文试图总结这些重大工业化催化成果,并基于经济社会发展提炼相关催化问题,探讨发展方向、路径与对策.     

淀粉作用下沸石晶体的链状组装

采用淀粉辅助水热合成方法,得到了特殊的一维链状纯硅沸石分子筛。结果表明在淀粉作用下,多个分子筛晶粒在晶轴b方向的表面之间存在强的相互作用使得分子筛晶粒沿此方向自组织成一维链状结构,所得材料非常均匀,乙醇的加入会使得这些一维聚集体的侧向团聚增加。     

NaA,MAP和MAX高铝沸石的结构定向及其转晶

本文根据不同沸石的结构特点及其在晶化动力学上的差异,由化学组成相近的硅铝凝胶混合物(投料Si/Al比约为1)定向合成出具有不同骨架结构的高铝沸石—NaA,MAP和MAX。考察了沸石晶化过程中晶化导向剂、晶种以及金属阳离子在合成高铝沸石的结构导向作用以及上述三种高铝沸石间的转晶规律。同时本文首次发现了MAP沸石的“室温固相转晶”现象。     

MFI型沸石形貌研究

MFI沸石晶形及其形态的调控一直都是分子筛研究的重要方面。本文主要综述了单晶分子筛、纳米分子筛、核壳结构分子筛以及特殊取向分子筛（包括择优取向MFI沸石膜及具有择优取向自行生长的MFI沸石）形貌控制方法。其中,对模板剂、表面活性剂、合成体系组成及合成方法对MFI型沸石形貌的影响进行了详细综述,同时对MFI沸石形貌研究的发展前景进行了展望。     

含钛USY沸石的制备与表征

采用钛酸丁酯/无水乙醇溶液与USY沸石浸渍及采用氟钛酸铵溶液与USY沸石二次合成等方法,制备了一系列含钛USY沸石。通过XRD,FT-Raman光谱,正庚烷吸附等温线,UV-DRS及FT-IR光谱等手段的表征,表明在所制备的含钛USY沸石样品中,当Ti含量较小(≤4.8%TiO~2)时,Ti是以高分散状态分布在沸石表面。不同制备方法所得含钛USY沸石样品中,Ti的状态是各不相同的。UV-DRS和FT-IR证实,以二次合成法制备的含钛USY沸石样品中,Ti主要处于沸石骨架位;而以钛酸丁酯/无水乙醇溶液浸渍法制备的样品,Ti是以单齿(monofunctional)和双齿(bifunctional)形式与沸石的表面羟基相结合。     

多级孔ZSM-5分子筛: 丰富的外表面酸中心和良好的二甲苯异构化催化性能

多级孔沸石分子筛的结构性质及其催化性能是近年来分子筛研究的热点.本文采用蒸汽辅助晶化的方法制备了多级孔ZSM-5沸石分子筛,采用NH₃程序升温脱附和原位吸附红外光谱等方法研究了其表面酸性质,用邻二甲苯异构化反应考察了其催化性能.结果表明,多级孔结构分子筛的结晶度和总酸量有所下降,但Lewis酸中心却有所增加.进一步研究发现,多级孔结构分子筛的外表面酸中心数量远高于常规分子筛,从而证实了多级孔结构可以将更多的酸中心暴露到外表面;而外表面酸中心数量的增多和扩散传质的改善是多级孔ZSM-5分子筛在邻二甲苯异构化反应中具有更高催化活性和对二甲苯产率的重要原因.