甲烷-合成氣兩步梯階反應合成乙酸的反應機理

《甲烷-合成氣兩步梯階反應合成乙酸的反應機理》是依託太原理工大學，由章日光擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：甲烷-合成氣兩步梯階反應合成乙酸的反應機理
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：章日光
• 依託單位：太原理工大學

項目摘要

青年科學基金已確定了一套能夠準確描述CH4-CO2兩步梯階反應合成乙酸熱力學、動力學的金屬催化劑反應模型及方法，包括CHx與金屬表面、CHx和H分別與CO2作用以及CHx溢流對兩步梯階反應的影響；並獲得等溫下兩步梯階反應合成乙酸適宜的金屬催化劑，且部分催化劑已被實驗證實具有較好催化性能，研究結果可為新型催化劑的篩選和設計提供比較準確的指導方案；依據青年科學基金研究結果，發表SCI收錄論文16篇。同時，青年科學基金研究表明CO2與H作用容易生成CO和OH，結合實驗產物沒有檢測到CO這一事實，認為CO插入CHx並與OH作用形成CHxCOOH，進而加氫生成乙酸；因此，本項目提出甲烷-合成氣兩步梯階反應合成乙酸的研究，採用量子化學計算和實驗相結合的方法，從催化劑構效關係、反應熱力學和動力學方面闡明金屬催化劑作用下甲烷-合成氣兩步梯階反應合成乙酸的反應機理，為實驗篩選並提出適宜的金屬催化劑。

結題摘要

本項目提出具有全新反應機理的甲烷-合成氣兩步梯階反應合成乙酸的新工藝路線，採用量子化學DFT計算和實驗相結合的方法，從催化劑構效關係、反應熱力學和動力學等方面闡明金屬催化劑作用下甲烷-合成氣兩步梯階反應合成乙酸的反應機理。具體研究內容包括：確定金屬催化劑反應模型、兩步梯階反應中表面物種在金屬表面吸附的微觀結構及性質、甲烷-合成氣催化轉化反應體系中CHx來源、甲烷-合成氣合成乙酸反應機理，以及適宜金屬催化劑篩選和確定。研究結果在電子-分子水平上闡明了甲烷-合成氣合成乙酸反應中不同金屬催化劑表面上物種CHx來源、成因、類型和分布，明確了金屬催化劑類型、表面結構、組成、活性組分結構大小和金屬-載體相互作用等結構因素與催化性能之間的構效關係；確定了反應路徑和基元反應序列，反應物種熱力學和動力學參量，重要過渡態和中間體結構；獲得了甲烷-合成氣合成乙酸的催化反應機理以及不同結構特點的金屬催化劑對反應機理的影響。同時，篩選並確定了適宜於甲烷-合成氣合成乙酸反應的金屬催化劑類型，其需要促進CHx生成和CO插入CHx生成C2氧化物前驅體CHxCO，以及/或者抑制CH3OH和CH4生成，從而實現催化劑對C2氧化物合成反應的催化性能調控；其中，第二金屬助劑Rh摻雜改性的Cu基催化劑能夠明顯促進CH3生成，且抑制CH3OH和乙醇的生成，進而提高反應體系中乙酸選擇性，該反應體系中需要補入部分水蒸氣實現反應中OH的充分供應。在工藝方法上，基於甲烷和合成氣與催化劑表面吸附作用強度差異較大，提出甲烷和合成氣交替進樣的“交替脈衝反應新工藝”，並搭建了反應裝置對催化劑的催化性能進行了初步評價。