能源化學與材料前沿丨分子篩擴散與工業催化

近年來,我國正處於高質量發展的重要時期,能源和材料消費增長較快,能源資源、生態環境保護與可持續發展進入新階段。而其中,催化材料及其科學技術在能源轉化、資源合理開發利用和綠色環保等方面發揮著特別重要的作用。

沸石分子篩作為一類非常重要的固體酸/鹼多孔催化材料,在能源化工等方面有著廣泛的應用。它具有獨特的規整晶體結構和較大的比表面積,並擁有豐富的、均一的0.3~2.0 nm孔徑的微孔孔道,而且表面分佈著較強的酸/鹼中心,這些特性使其成為效能優異的催化劑。

而在沸石分子篩上進行多相催化反應時,通常受到晶內微孔的限域作用,即孔道的大小和形狀對催化反應有選擇性而高選擇性地生成某些產物,這就是通常所說的擇形催化作用;但同時,孔道擇形作用又帶來孔內分子擴散受限、催化效率較低以及孔內易積碳失活等缺點。催化劑效能中效率與選擇性是一對矛盾,因此,若想要開發出高效、高選擇性的分子篩催化劑,則不僅需要充分利用其擇形催化作用,而且還必須克服微孔內分子擴散受限等缺點。而要實現這個目標,則

需要對其中的關鍵科學問題,包括分子篩中孔道與反應分子的匹配、孔道內差異擴散與擇形催化、孔道內擴散與催化效率等,進行充分的研究。而其中的關鍵核心問題是分子篩孔道中的分子擴散與催化反應的耦合。

目前,國內外對此方面的系統論述還比較少。

能源化學與材料前沿丨分子篩擴散與工業催化

催化反應中常見的許多小分子的尺寸與分子篩孔道尺寸對比

能源化學與材料前沿丨分子篩擴散與工業催化

分子篩工業催化發展的里程碑

作者謝在庫院士團隊多年來致力於工業分子篩催化劑的開發實踐,成功開發了甲苯擇形歧化催化劑、甲醇制烯烴催化劑、甲苯甲醇制對二甲苯催化劑、低碳烯烴裂解催化劑等。

在這些分子篩催化劑的開發中,涉及分子擴散研究方法、分子篩孔道分子工程的多級孔構建、分子篩形貌調控、催化劑全結晶化等方面的方法創新,以及對反應與擴散耦合介尺度催化方面認識的不斷深化。

《分子篩擴散與工業催化》

即結合作者多年來的分子篩擇形催化材料的開發實踐,對上述科學問題的研究進行歸納總結與系統論述。

能源化學與材料前沿丨分子篩擴散與工業催化

本書各章節主要內容如下:

第1章簡要介紹分子篩催化材料的特點及其工業催化發展的歷史。

第2章提出了分子篩催化分子工程調控需要研究的幾個基本問題,並重點強調了分子擴散問題研究的重要性。

第3章探討了分子篩催化中的擴散調控與強化,主要包括分子篩內反應與擴散的耦合原理、擴散與催化效率的測定方法、反應積碳與擴散的理論模擬,以及分子篩晶粒形貌尺寸調控對分子擴散與催化反應效率的影響等。

第4章圍繞分子篩材料的多級孔構建,研究了微孔-介孔複合、微孔-介孔大孔複合等多級孔分子篩的合成與調控方法,並透過分子模擬對多級孔道沸石催化劑的擴散效能進行了研究,隨後對多級孔分子篩的酸性和活性位的可及性方面進行了物化性質表徵,最後展現了多級孔分子篩在甲醇制烯烴、芳烴烷基化等催化反應效能上的優越性。

第5章主要介紹了工業分子篩成型催化劑的多級孔、全結晶化的新方法,並展現了它在甲醇制丙烯(MTP)、碳四烯烴催化裂解(OCC)工業催化技術上的應用和優勢。

第6章主要介紹了擴散功能強化的流化床甲醇制烯烴分子篩催化材料,概述了從甲醇制烯烴MTO烴池反應機理,介紹了納米薄片狀SAPO-34分子篩催化劑的開發、 S-MTO快速流化床催化劑、S-MTO催化劑積碳形成過程、S-MTO快速流化床反應器和S-MTO催化劑技術開發過程與工業應用情況。

第7章主要圍繞分子篩在芳烴轉化的擇形催化、甲苯擇形歧化(SD)和甲苯甲醇擇形烷基化制對二甲苯(MTPX)等實踐,探討了分子篩在孔道方面的精細調控,以及透過表面修飾和多級孔構建來實現高選擇催化基礎上的高效催化。

第8章對分子篩工業催化的複雜性做了進一步的分析與闡述,並對分子篩的孔道分子工程調控做了展望。

總之,分子篩材料作為一類非常重要的吸附或催化材料,當前已在煉油、石油化工、煤化工、精細化工及環境保護等領域有著廣泛的應用。儘管人們對分子篩材料及催化研究方面已經持續了幾十年,但是,仍然存在著許多科學問題亟待研究解決,本書主要圍繞分子篩工程與高效擇形催化方面的科學問題進行研究和探討。

本書是十三五國家重點出版物出版規劃專案“能源化學與材料叢書”分冊,並獲2021年度國家科學技術學術著作出版基金資助!

《分子篩擴散與工業催化》

謝在庫 等 著

北京:科學出版社,2022。1

(能源化學與材料叢書/包信和總主編)

“十三五”國家重點出版物出版規劃專案

ISBN 978-7-03-070102-2

叢書策劃:楊 震

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