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.     

《催化学报》庆祝何鸣元院士八十华诞专刊

《催化学报》以本期专刊的出版庆祝何鸣元院士八十华诞,表达对何先生五十多年来为我国催化及相关领域发展所作出的卓越贡献的崇高敬意!何鸣元先生1940年2月8日出生于上海,1961年毕业于华东纺织工学院(现东华大学)应用化学专业,同年进入石油化工科学研究院工作至今.1980-1984年作为访问学者赴美国西北大学化学系和美国得克萨斯大学奥斯汀分校化工系进行合作研究.2000年以来,应邀兼任华东师范大学教授,2003年领导建立上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室.何鸣元先生担任过许多学术职务.曾任石油化工科学研究院总工程师、学术委员会副主任,中国科学院学部主席团成员、化学部副主任,中国化学会常务理事、绿色化学专业委员会主任,国际催化理事会理事,国际沸石分子筛协会副主席等.何鸣元先生长期从事催化材料、炼油化工催化剂与工艺研究.发明了一系列沸石分子筛合成新方法与炼油催化剂,开发了双反应区催化裂化增产汽油异构烷烃MIP工艺(Maximum Isoparaffin Process)等多个具有自主知识产权的新工艺,为发展我国重油裂化技术、提高催化裂化汽油辛烷值、开发新标准汽油生产技术等作出了突出贡献.何鸣元先生是我国绿色化学的奠基人之一,他以国民经济可持续增长为目标,大力倡导和推动绿色化学与化工学术研究与技术开发.2001年担任科技部国家基础研究重大项目(2001-2005)'石油炼制与基本有机化学品加工的绿色化学'首席科学家,推动了多项绿色炼油与化工新技术的突破和工业应用.针对碳资源利用过程中所面临的效率低、污染物排放严重等问题,2011年,何先生和合作者从碳资源加工、利用和循环等全周期考虑,提出了'绿色碳科学'的概念,对碳资源的高效、清洁、循环利用具有重要的指导作用.近年来,发起并主持了以'可持续发展能源化工的科学基础:绿色碳科学与绿色氢科学'沸石分子筛:等级特性、选择催化与分子工程'绿色生态环境与化学化工'等为主题的香山科学会议以及其它高水平学术会议,为相关学科指出了发展方向.何鸣元先生获得了许多学术奖励和荣誉.他于1995年当选为中国科学院院士,曾获得国家发明二等奖(1995)、何梁何利科学技术进步奖(2001)、中国催化成就奖(2012)、法国教育部棕榈叶骑士勋章(2012)、法国里昂高师荣誉博士学位(2016)、中国分子筛终身成就奖(2019)等,在国内外催化与石油化工界享有崇高的声誉.本期专刊收录了15篇学术论文,内容涉及新型分子筛催化剂的合成、单原子催化、光催化、电催化以及甲烷、二氧化碳、生物质等碳资源的催化转化等,一定程度上反映了何先生过去五十多年的研究兴趣,并展现了当前国际催化科学与技术研究的前沿和进展.在此,我们衷心感谢论文作者、审稿专家和《催化学报》编辑部等相关人员所给予的大力支持.     

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.     

改性钛锆复合氧化物催化环己酮肟气相Beckmann重 排反应

制备了经SO4^2-,PO4^3-,MoO3,WO3和B2O3改性的钛锆复合氧化物(TiO2-ZrO2)催化剂,并用常压连续流动固定床微型反应器考察了它们对环己酮肟气相Beckmann重排反应制己内酰胺的催化性能。结果表明,在反应温度300℃时,B2O3/TiO2-ZrO2具有较高的己内酰胺选择性(97.0%)和收率(96.7%),且明显高于B2O3/TiO2和B2O3/ZrO2催化剂,用N2吸附和NH3-TPD,CO2-TPD等方法对催化剂的经表面积、孔容、孔分布和表面酸、碱性分别进行了测定,讨论了这些物化性能对催化剂活性、选择性和稳定性的影响。     

CO2气氛下负载型Cr2O3催化剂上乙苯脱氢制苯乙烯反应

 采用浸渍法制备了负载型Cr2O3/Al2O3和Cr2O3/SiO2催化剂,并考察了催化剂在CO2气氛下催化乙苯脱氢制苯乙烯反应的活性. 结果表明,Cr2O3/Al2O3的催化活性高于Cr2O3/SiO2. 这可能是由于Cr2O3在Al2O3载体表面的分散度大大高于在SiO2表面的分散度. 催化剂的催化活性与Cr2O3的负载量有关,在w(Cr2O3)=25%时,Cr2O3/Al2O3的催化活性最高. CO2气氛对乙苯脱氢反应有明显的促进作用; 在CO2气氛下,Cr6+物种可能是催化乙苯脱氢反应活性位的前驱体.     

用TEAOH-C4H9NO复合模板剂合成SAPO-34分子筛的研究Ⅱ.SAPO-34分子筛的表面酸性和催化性能

 以吗啉(C4H9NO)为主要模板剂,以少量四乙基氢氧化铵(TEAOH)为辅助模板剂合成了SAPO -34分子筛,并用氨吸附红外、核磁共振和氮吸附等手段对合成的SAPO-34分子筛进行了表 征. 结果表明,与单独以吗啉为模板剂合成的样品相比,用复合模板剂合成的分子筛样品的比 表面积和孔体积均有所增大; 由于在分子筛骨架中形成了“硅岛”,使其B酸量有所增加 ,对甲醇制低碳烯烃反应的催化性能有所改善.     

用TEAOH-C4H9NO复合模板剂合成SAPO-34分子筛的研究Ⅰ.SAPO-34分子筛的合成与表征

 以吗啉(C4H9NO)为主要模板剂,以少量四乙基氢氧化铵(TEAOH)为辅助模板剂合成了SAPO -34分子筛,并采用X射线衍射、扫描电镜、傅里叶变换红外光谱和热重-差热分析等手段对 合成的SAPO-34分子筛进行了表征. 结果表明,TEAOH在导向生成SAPO-34分子筛骨架过程中 表现活跃,占据了较多的平衡骨架负电荷的位置,而吗啉主要起到填充分子筛孔道的作用. 用 TEAOH-C4H9NO复合模板剂合成的SAPO-34分子筛,其晶粒远小于单用吗啉模板剂合成的 分子筛.     

不同铝源合成的β沸石结构表征与热分解行为的研究

考察了以固体硅胶为硅源、 NaAlO2及α Al2O3· H2O两种铝源、以及不同晶化混合液的 SiO2/Al2O3比（ 15～ 50）对β沸石合成的影响。通过 XRD、 DSC/TGA、 29Si NMR及 ICP研究表明,以 NaAlO2为铝源合成的β沸石更易形成 Si(0Al)、 Si(1Al)、 Si(O－ )配位,且化学 SiO2/Al2O3比与晶化混合液 SiO2/Al2O3比基本一致,以α Al2O3· H2O为铝源合成的β沸石更易形成 Si(0Al)、 Si(O－ )、 Si(2Al)配位,且化学 SiO2/Al2O3比低于晶化混合液的 SiO2/Al2O3比; TGA失重量随β沸石 SiO2/Al2O3比增加而增加, DSC吸热量随β沸石 SiO2/Al2O3增加而减少。     

不同模板剂合成SAPO-34分子筛的表征与热分解过程研究

采用XRD、SEM、FT IR、TG DTA等表征手段 ,对分别以正磷酸、拟薄水铝石和硅溶胶为磷源、铝源和硅源 ,用五种模板剂合成的SAPO 34分子筛进行了表征 .不同模板剂合成的SAPO 34分子筛在晶粒粒度分布上有相当大的差异 .通过TEAOH Et3 N或者TEAOH Morpholine复合模板剂法可以有效地调节晶粒粒度 .不同模板剂合成的SAPO 34分子筛的红外骨架振动相似 ;而模板剂分子与分子筛骨架的作用方式有区别 .模板剂种类对SAPO 34分子筛骨架热稳定性没有影响 ,但对其热分解的行为有影响