铁基二氧化碳加氢合成α-烯烃的微观反应路径耦合规律及多尺度协同调控研究

批准号:
21808058
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
曹晨熙
依托单位:
学科分类:
B0803.反应工程
结题年份:
2021
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
田鹏飞、刘向林、张超、徐敏杰、陈嘉成
国基评审专家1V1指导 中标率高出同行96.8%
结合最新热点,提供专业选题建议
深度指导申报书撰写,确保创新可行
指导项目中标800+,快速提高中标率
微信扫码咨询
中文摘要
铁基二氧化碳(CO2)加氢直接合成高端α-烯烃工艺简单且催化剂价格低廉,是一条独特的CO2高附加值利用路线。但是,铁基催化剂多变的相态和复杂的表面反应动力学给催化剂理性设计和反应器-催化剂优化集成带来很大挑战。本项目提出以微观动力学分析为核心研究CO2加氢制α-烯烃的多尺度催化环境调控原理。首先构建多活性中心的单事件微观动力学模型,进一步耦合颗粒及反应器尺度模型实现跨尺度模拟。然后设计开展动态现场原位光谱表征,通过结合微观动力学的多尺度模型反演、再现光谱原位池内的反应过程,建立模型预测与光谱信息的量化联系,从而检验微观反应机理。进一步通过敏感度分析推断关键表面反应步骤,阐明微观反应路径耦合规律;利用多尺度模拟解析典型颗粒/反应器结构中的传递对表面反应循环的影响机制,探索实现多尺度协同调控。本项目的研究将为多相催化微观动力学模型校验和匹配微观反应机理的反应器多尺度理性设计提供新的启示。
英文摘要
CO2 hydrogenation to high-end α-olefins over iron-based catalyst provides a unique route for value-added utilization of CO2.Unfortunately, the variety of interchangeable phase states and complex surface kinetics have posed significant challenges on rational design of catalyst and optimization of reactor-catalyst integration. We propose to use microkinetics analysis to deeply understand the control principles of multiscale catalytic environments for CO2 hydrogenation to α-olefins. We will establish a multi-site single-event microkinetics model and couple it to particle and reactor scale models to enable multiscale simulation. Then, we will design and collect operando spectroscopy, and perform multiscale simulation of the operando cell in order to determine the real reaction process undergoing. This allows to quantitatively compare model predictions with operando spectroscopic information to help validating the microkinetics. We will further locate the most significant surface reaction steps and elaborate the coupling behaviors between surface reaction with the help of microkinetics, and explain the energy and mass transfer effects on surface reaction cycles via multiscale simulation. This project will throw new lights upon the verification of microkinetics models and rational design of reactors fitting specific surface reaction mechanisms.
铁基二氧化碳(CO2)加氢直接合成高端α-烯烃过程工艺简单、催化剂价格低廉,是一条独特的CO2高附加值利用路线。但是,铁基催化剂多变的相态和复杂的表面反应动力学给催化剂理性设计和反应器-催化剂优化集成带来很大挑战。本项目围绕CO2加氢直接合成α-烯烃过程的多尺度催化环境调控,针对促进型铁基催化剂,构建多活性中心的微观动力学理论模型;利用动态现场原位光谱技术和结合微观动力学的多尺度模拟方法,阐明CO2活化与表面微观反应网络的耦合规律及调控原理;通过多尺度模拟,揭示颗粒/反应器尺度反应介质中的物质与能量传递对表面反应循环的影响机制,归纳匹配微观反应机理的多尺度传递-反应协同设计原则。通过以上研究,解决以下关键科学问题:.(1)CO2活化与后续转化之间的表面反应路径耦合对α-烯烃总收率的影响机制,及其动力学关键步骤;.(2)催化剂-载体/壳层-反应器多尺度物质与能量传递对表面反应循环的影响,以及匹配微观反应机理的多尺度传递协同调控原理。.主要科学发现如下:.(1)基于模型催化剂开展CO2加氢本征动力学实验与理论研究,推测Fe基催化剂上CO2加氢过程主要微观反应路径、表面最丰物种,解析微观反应路径耦合规律及速控步;.(2)结合催化剂全生命周期动态现场原位光谱及本征动力学参数演变,从多角度揭示了铁基CO2加氢催化剂的改性原理与性能及稳定性的调控规律;.(3)针对Fe基催化剂CO2加氢制烯烃过程特点,探索提出了催化剂-反应器协同的过程优化设计原则与方法。.资助期间,项目研究进展顺利,在ACS Catal., J. Catal., Appl Catal. B, ACS Sustain. Chem. Eng., 《化工学报》等国际、国内重要学术刊物发表21808058标注的研究论文8篇,做国际、国内学术会议口头报告3次,申请并公开中国发明专利2项,协助培养博士研究生4人。本项目的研究成果丰富了对CO2加氢过程微观机理及调控规律的认识,为结合动态现场原位光谱及多相催化微观动力学的工业催化剂研究开发、匹配微观反应机理的反应器多尺度理性设计提供了新的启示。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Resolving CO2 activation and hydrogenation pathways over iron carbides from DFT investigation
通过 DFT 研究解决碳化铁上的 CO2 活化和氢化途径
DOI:10.1016/j.jcou.2019.12.014
发表时间:2020-05-01
期刊:JOURNAL OF CO2 UTILIZATION
影响因子:7.7
作者:Liu, Xianglin;Cao, Chenxi;Han, Yi-Fan
通讯作者:Han, Yi-Fan
Revealing the Effect of Sodium on Iron-Based Catalysts for CO2 Hydrogenation: Insights from Calculation and Experiment
揭示钠对 CO2 加氢铁基催化剂的影响:来自计算和实验的见解
DOI:10.1021/acs.jpcc.0c11123
发表时间:2021-04-02
期刊:JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C
影响因子:3.7
作者:Liu, Xianglin;Zhang, Chao;Xu, Jing
通讯作者:Xu, Jing
Uncovering the electronic effects of zinc on the structure of Fe5C2-ZnO catalysts for CO2 hydrogenation to linear alpha-olefins
揭示锌对 CO2 加氢生成直链 α-烯烃的 Fe5C2-ZnO 催化剂结构的电子效应
DOI:10.1016/j.apcatb.2021.120287
发表时间:2021
期刊:Applied Catalysis B: Environmental
影响因子:--
作者:Zhang Chao;Xu Minjie;Yang Zixu;Zhu Minghui;Gao Jian;Han Yi-Fan
通讯作者:Han Yi-Fan
Ternary Fe-Zn-Al Spinel Catalyst for CO2 Hydrogenation to Linear alpha-Olefins: Synergy Effects between Al and Zn
三元 Fe-Zn-Al 尖晶石催化剂用于 CO2 加氢制直链 α-烯烃:Al 和 Zn 之间的协同效应
DOI:10.1021/acssuschemeng.1c04629
发表时间:2021
期刊:ACS Sustainable Chemistry and Engineering
影响因子:8.4
作者:Xu Minjie;Liu Xianglin;Cao Chenxi;Sun Yang;Zhang Chao;Yang Zixu;Zhu Minghui;Ding Xiaoxu;Liu Yitao;Tong Zhangfa;Xu Jing
通讯作者:Xu Jing
Unraveling the Role of Zinc on Bimetallic Fe5C2-ZnO Catalysts for Highly Selective Carbon Dioxide Hydrogenation to High Carbon alpha-Olefins
揭示锌在双金属 Fe5C2-ZnO 催化剂上对二氧化碳高选择性加氢生成高碳 α-烯烃的作用
DOI:10.1021/acscatal.0c04627
发表时间:2021
期刊:ACS Catalysis
影响因子:12.9
作者:Zhang Chao;Cao Chenxi;Zhang Yulong;Liu Xianglin;Xu Jing;Zhu Minghui;Tu Weifeng;Han Yi-Fan
通讯作者:Han Yi-Fan
百兆瓦级质子交换膜燃料电池及电解池集群分层多尺度建模与优化
- 批准号:24ZR1414900
- 项目类别:省市级项目
- 资助金额:0.0万元
- 批准年份:2024
- 负责人:曹晨熙
- 依托单位:
国内基金
海外基金
