多相反應過程中催化材料的表界面行為與調控策略

《多相反應過程中催化材料的表界面行為與調控策略》是依託鄭州大學，由韓一帆擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：多相反應過程中催化材料的表界面行為與調控策略
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：韓一帆
• 依託單位：鄭州大學

項目摘要

本項目針對材料表界面介尺度，圍繞多相反應過程中催化材料表界面結構及其演變機制、介質傳遞和反應機理、介質與催化材料表界面作用規律及調控，採用實驗、計算機分子模擬和理論分析研究相結合的方法，在介質分子、表界面和催化材料活性位群三個尺度上，通過重點發展並運用動態現場原位表征技術，獲取動態反應過程中催化材料表界面的分子結構（結構信息），闡明介質誘導催化材料活性位群活化、穩定、失活的微觀機理（演變規律），認識催化反應的基元路徑及規律（微觀反應）、巨觀介質傳遞行為與微觀分子吸附及反應的關係（不同微尺度的關聯），建立表界面結構對傳遞過程及反應性能的影響（構-效關係），探索高性能催化材料設計及製備的新策略、新方法，探索強化反應的有效途徑（調控方法）。

結題摘要

工業催化劑的性能往往受到催化劑活性主體的尺度大小、表界面結構等影響。人們對於納米及納米以下的尺度變化對於催化劑表界面結構與性能的影響，知之甚少。本項目彌補了催化劑理想狀態與真實工作條件下所研究的催化劑存在著材料、壓力和溫度鴻溝，這使得人們對於工業複雜反應中對催化劑的催化行為的理解進一步加深。研究採用了一系列動態現場原位表征方法為探究接近於真實反應條件下的催化反應機理開闢出新的研究途徑。本項目藉助動態現場原位光譜，以CO、CO2加氫過程為主要研究對象，探討加氫反應過程中材料表界面介尺度相互作用，圍繞多相反應過程中催化材料表界面結構及其演變機制、介質傳遞和反應機理、介質與催化材料表界面作用規律及調控，以改進催化劑活性。經研究發現，活性物種的生成是一種動態變換過程，在小尺度範圍內呈現不同催化活性。Fe基催化劑活性物種在活化、CO2加氫過程中以α-Fe2O3（γ-Fe2O3）→α-Fe3O4（γ-Fe3O4）→α-Fe（γ-Fe）→X-Fe5C2（θ-Fe3C）形式發生結構演變，其中X-Fe5C2物種表現出對低碳烯烴的高選擇性特性且對鏈增長有限制作用。鹼金屬K的摻雜，使Fe95-K5 (95wt%Fe-5wt%K)催化劑具有最優活性及C2-C4烯烴選擇性；經10%H2/Ar、10%CO/Ar及5%CO/5%H2/Ar三種不同氣氛活化處理後則發現，活化氣氛對催化劑結構演變有明顯作用，10%CO/Ar活化的催化劑會生成γ1型碳化鐵結構，對CO2解離有促進作用。CO加氫反應中，鐵基催化劑上引入MnOx物種可有效加快CO加氫的反應速率及提升烯烴選擇性，少量MnOx有利於將α-Fe2O3還原為Fe3O4並提高催化劑的碳化效果，並可提高催化劑表面鹼性，促進CO的解離吸附。結合power-law模型，對在Fe/SiO2和Fe20-Mn1/SiO2催化劑上進行的FTO反應動力學參數進行計算擬合，結果說明合成氣制烯烴的理想過程應為CO解離、加氫和鏈增長這一系列連貫反應過程。利用和發展動態原位表征技術可以不斷完善理論和實際研究的知識體系，可對工業催化劑的實際使用起到積極的指導作用，真正實現對工業催化劑的“理性設計和可控制備”，有助於認清催化反應的本質機理過程。