介觀結構催化劑及介尺度機制與調控的高性能催化過程

《介觀結構催化劑及介尺度機制與調控的高性能催化過程》是依託南京大學，由丁維平擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：介觀結構催化劑及介尺度機制與調控的高性能催化過程
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：丁維平
• 依託單位：南京大學

項目摘要

針對表界面介尺度結構與反應-擴散過程的相互關係及其調控規律，以前期發現的甲苯/水乳液中有機膦酸修飾納米氧化鐵催化甲苯溫和氧化的高性能過程為對象，該過程中烷基膦酸牢固吸附於納米氧化鐵表面，消除活性過高的非選擇性氧化位，使催化劑定位於油水相界面處，甲苯通過烷基鏈間隙與催化劑作用，水相起輸送氧並限制氧自由基活性的雙重作用，上述多因素配合能高效獲得唯一產物苯甲醛。本項目針對研究此過程表界面結構相關現象，特別是反應-擴散耦合過程，進一步甄別其中的多種控制機制及相互關係，了解反應介質或催化劑表界面介尺度結構對擴散過程、反應歷程和產物的影響，闡明該反應與擴散耦合的過程及其機制，獲得反應、傳遞與流動過程介尺度行為的基礎數據，構建介尺度行為影響下的有效反應動力學模型。發展以該反應為典型對象的催化劑表界面與反應器流動結構的匹配設計，通過催化劑表界面控制、反應介質與反應器結構的耦合設計，實現綜合高性能催化過程。

結題摘要

本項目提出進行“介觀催化”研究，並將介觀催化劑構築要點提煉為“反應中心+外圍組織”，重點研究氣-液-固混相反應器中上述介觀催化劑的作用，針對甲苯綠色氧化制苯甲醛的重要工業過程套用，著眼於催化劑反應中心與外圍組織在介尺度上的協同作用，控制實現高性能催化反應過程。闡明了以氧化鐵為主的催化劑反應中心在十六烷基膦酸作為外圍組織的修飾與調節下，形成了獨特的電子與空間結構，既能低溫下活化甲苯的碳氫鍵，也能與催化劑表面氧物種配合控制反應與產物分子的通道，實現了甲苯綠色氧化單一生成苯甲醛的過程。考慮到工業套用的需求，進一步引入納米棒狀氧化鋁作為催化劑載體，實現了催化劑的穩定製備，重複性能良好。而且，載體的引入為催化劑的組分與性能最佳化工作提供的極大的便利，最終得到了最佳化的催化劑，其組成為：氧化鋁負載20%氧化鐵、5%氧化鎳，構成外圍組織的十六烷基膦酸表面密度為1/nm2。進而研究了甲苯-水混相反應介質中通過外圍組織對催化劑的表面極性的影響而控制其在混相反應器中液滴、氣泡層次上的分布，採用噴射流反應器控制該混相反應器中氣泡、液滴、固體、表面的介尺度強化傳遞作用，實現了以甲苯溫和氧化成單一產物苯甲醛為代表的綠色高性能催化反應過程。該項目既有深刻的基礎研究科學意義，也有良好的工業套用前景，繼續進行深入的研究工作可望產生先進的成套工業套用技術。