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特定结构和形貌的Fe-C合金纳米催化剂的可控制备及其催化氨分解反应行为

批准号:
21306046
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
段学志
依托单位:
学科分类:
反应工程
结题年份:
2016
批准年份:
2013
项目状态:
已结题
项目参与者:
隋志军、纪建、冯翔、邵波、范青海、周湘萍

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项目成果

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中文摘要
特定结构和形貌的非贵金属纳米催化剂的可控制备及其形貌效应是当前催化领域中的热点课题之一。 本申请提出采用CCVD法通过调控纳米碳纤维的生长制备具有特定结构和形貌的Fe-C合金纳米催化剂的新思路。结合从头计算原子级热力学模拟和实验研究,建立反应条件与Fe-C合金稳定结构以及表面形貌的对应关系,以实现特定结构和形貌的Fe-C合金纳米催化剂的可控制备。以氨分解为模型反应体系,考察催化剂的活性和高温稳定性,并结合DFT计算,阐明C原子对催化剂结构特性、电子特性以及氮化过程的影响。通过对氨分解Fe-C合金纳米催化剂的微观反应动力学分析,建立LHHW动力学模型,阐明催化剂结构以及形貌对其动力学行为的影响。 上述调控催化剂结构和形貌的方法也适用于制备可生长纳米碳纤维的Ni、Co等非贵金属催化剂。本项目研究成果不仅可用于指导高效Fe基催化剂的理性设计,还有助于深入理解C对金属催化剂结构和形貌的调控机制。
英文摘要
Controlled synthesis of non-noble metal nanocatalysts with tailored structures and morphologies for targeted catalytic performance is one of the main topics in current catalysis research. In this proposal, a catalytic chemical vapor deposition (CCVD) method is proposed to synthesize Fe-C alloy nanocatalysts with tailored structures and morphologies by controlling the growth of carbon nanofibers (CNFs). The influences of the operating conditions of CCVD on the stable surface structures and the surface morphologies of Fe-C alloy nanocatalysts will be studied by combining ab initio atomistic thermodynamics simulation and experiments. The Fe-C alloy nanocatalysts will be used for ammonia decomposition and its activity at low temperatures and stability at high temperatures will be evaluated. DFT calculations will be employed to understand how carbon atoms influence the structures and electronic properties of Fe for increased activity and inhibit the nitridation of Fe for prolonged stability. Microkinetic analysis will be conducted and used to establish LHHW kinetics to understand the kinetic behaviors of Fe-C alloy nanocatalysts with different structures and morphologies. The CCVD method proposed for Fe-based nanocatalysts and the approaches used to understand the structure-performance relationship can also be extended to other non-noble metal catalysts, such as Ni and Co. This research is valuable not only for rational design of Fe-based catalysts with excellent performances, but also for in-depth understanding of the role of C in structural and morphological manipulation of metal catalysts.
特定结构和形貌的过渡金属纳米催化剂的可控制备及其形貌效应是当前催化领域中的热点课题之一。目前,国内外对纳米催化剂形貌效应的研究主要针对贵金属,很少针对非贵金属。本项目提出“采用催化化学气相沉积(CCVD)法实现特定结构和形貌的Fe-C合金纳米催化剂的可控制备”的新思路,并从实验和理论上证实了其可行性,同时探究了该方法的普适性,发现CCVD法也适用于制备特定结构和形貌的Ni-C合金纳米催化剂;系统研究了CCVD技术参数对Fe-C、Ni-C合金纳米催化剂形貌与晶相结构的影响,并结合理论计算,揭示了C原子吸附诱导以及石墨烯单元与金属晶面的匹配性是非贵金属纳米催化剂结构与形貌可控合成的内因;比较研究了该类新型催化剂与传统负载型催化剂之间的氨分解活性、高温稳定性以及动力学特征,发现CCVD法制备的催化剂尽管粒径较大,但是其活性以及稳定性明显优于传统等量浸渍法制备的催化剂,同时两种方法制备的催化剂活性趋势相反:传统负载型Ni纳米催化剂氨分解活性高于Fe纳米催化剂,但形貌可控Fe-C合金纳米催化剂的氨分解活性反而高于Ni-C合金纳米催化剂;进一步结合理论计算,揭示了表面C以及次表面C对Fe、Ni催化剂上氨分解性能的影响机制,发现其影响规律呈现出相反的趋势;最终,建立了明确的催化剂结构与氨分解性能之间的构-效关系,为基于CCVD技术制备出高效氨分解非贵金属Fe、Ni纳米催化剂提供了理论基础和实践指导。
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
CO activation pathways of Fischer-Tropsch synthesis on x-Fe5C2 (510): Direct versus hydrogen-assisted CO dissociation
x-Fe5C2 (510) 上费托合成的 CO 活化途径:直接与氢辅助 CO 解离
DOI: --
发表时间: 2014
期刊: The Journal of Physical Chemistry C
影响因子: --
作者: [Duan Xuezhi, Qian Gang, Zhou Xinggui, Chen De]
通讯作者: Chen De
DOI: 10.1002/cctc.201501275
发表时间: 2016-03-07
期刊: CHEMCATCHEM
影响因子: 4.5
作者: [Duan, Xuezhi, Ji, Jian, Zhou, Xinggui]
通讯作者: Zhou, Xinggui
Insights into Hagg iron-carbide-catalyzed Fischer-Tropsch synthesis: Suppression of CH4 formation and enhancement of C-C coupling on x-Fe5C2 (510)
深入了解 Hagg 碳化铁催化费托合成:抑制 CH4 形成并增强 x-Fe5C2 上的 C-C 偶联 (510)
DOI: --
发表时间: 2015
期刊: ACS Catalysis
影响因子: 12.9
作者: [Qian Gang, Zhou Xinggui, Chen De, Yuan Weikang]
通讯作者: Yuan Weikang
Iron-based Fischer-Tropsch synthesis of lower olefins: The nature of chi-Fe5C2 catalyst and why and how to introduce promoters
低级烯烃的铁基费托合成:chi-Fe5C2 催化剂的性质以及为什么以及如何引入促进剂
DOI: --
发表时间: 2016
期刊: Journal of Energy Chemistry
影响因子: 13.1
作者: [Chen Bingxu, Duan Xuezhi, Chen De, Zhou Xinggui]
通讯作者: Zhou Xinggui
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    二氧化碳电催化制可持续航空燃料与高效能催化反应工程技术
    • 批准号:
      25DZ3000100
    • 项目类别:
      省市级项目
    • 资助金额:
      0.0万元
    • 批准年份:
      2025
    • 负责人:
      段学志
    • 依托单位:
    丙烯氢氧环氧化制环氧丙烷:接力催化机理及动力学调控
    • 批准号:
      22178100
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      60万元
    • 批准年份:
      2021
    • 负责人:
      段学志
    • 依托单位:
    多相催化反应动力学
    • 批准号:
      21922803
    • 项目类别:
      优秀青年科学基金项目
    • 资助金额:
      130万元
    • 批准年份:
      2019
    • 负责人:
      段学志
    • 依托单位:
    Fe基费托催化剂上低碳烯烃形成机理及动力学特征
    • 批准号:
      21776077
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      62.0万元
    • 批准年份:
      2017
    • 负责人:
      段学志
    • 依托单位:
    国内基金
    海外基金