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乙醇气相氧化制乙醛:‘CoO@Cu2O’纳米复合氧化物在整装泡沫/纤维结构上的一步反应诱导定向构筑及其界面催化作用
结题报告
批准号:
21703069
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
赵国锋
依托单位:
学科分类:
B0202.催化化学
结题年份:
2020
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
薛腾、王鹏伟、范松宇、陈焰飞
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中文摘要
气相“乙醇-空气”催化氧化制乙醛是传统乙烯氧化法的绿色可持续替代路线,但要求催化剂既具有优异的低温催化活性/选择性,又具备良好的催化剂床层热/质传递强化效能。基于我们近期关于原位反应条件下高活性纳米复合氧化物特定结构自组装的发现(ChemSusChem. 2017, DOI: 10.1002/cssc.201601848),本申请提出在3D整装泡沫/纤维基体上CuOx-CoOx纳米复合特定结构的“原位反应诱导定向构筑”,创制一种集低温催化活性/选择性高、热/质传递速率快和稳定可再生于一体的整装结构催化剂,实现“低温高活性/选择性-反应过程强化”的协同耦合。研究金属盐前体、泡沫/纤维基体表面特性等对CuOx-CoOx纳米复合特定结构(如核@壳、异质结等)反应诱导构筑的影响,阐明“反应诱导构筑-纳米复合特定结构-催化性能”的关系。开展CFD研究,揭示催化剂整装结构化设计对热/质传递的强化机制。
英文摘要
The gas-phase aerobic oxidation of ethanol to acetaldehyde is a green and sustainable alternative route for ethylene oxidation, but needs an ideal catalyst with both low-temperature activity/selectivity and intensified heat/mass transferring. Recently, we reported that the highly active nanocomposited oxides with specific structure could be induced by the real reaction (ChemSusChem. 2017,DOI:10.1002/cssc.201601848). Herein, we propose a strategy of “reaction-induced assembly of nanocomposited CuOx-CoOx with specific structure in-situ onto 3D Foam/Fiber”, with the aim to develop a monolithic catalyst with the combination of low-temperature activity/selectivity, high heat/mass transferring, and good stability/regenerability for the gas-phase oxidation of ethanol to acetaldehyde. With such combination, this catalyst can collaboratively couple the “low-temperature catalytic performance” with “reaction process intensification” for this reaction. The effects of the kinds of metal precursors, and Foam/Fiber surface properties, etc., will be systematically investigated on the reaction-induced assembly of CoOx-CuOx nanocomposites (such as core@shell or hetero-junction structure, etc.). The relationship among the “reaction-induced assembly, specific nanocomposites structure, and catalytic performance” will be illustrated. On the basis of CFD code Fluent, the intensification mechanism from the catalyst monolithic design will be deeply explored.
气相“乙醇-空气”催化氧化制乙醛催化剂既需要优异的低温催化活性/选择性,又需要强化的“传质传热性能”以实现催化剂宏尺度床层的等温操作。本项目系统围绕以下几个方面开展了研究:整装结构催化剂“CoO-Cu2O/M-Fiber”的反应诱导定向构筑;整装结构催化剂的性能评价、结构表征及其构效关系;整装结构催化剂的传质传热强化,完成了预定计划,实现了预期目标。首先采用“水蒸气氧化法”在Al-fiber表面原位内源生长拟薄水铝石纳米片壳层而制得ns-AlOOH/Al-fiber载体,再经高温焙烧使ns-AlOOH转变为γ-Al2O3纳米片,制得ns-γ-Al2O3/Al-fiber材料。然后以ns-γ-Al2O3/Al-fiber为载体,将催化活性组分前驱体采用等体积浸渍法负载至载体表面并直接用于乙醇气相选择性氧化制乙醛反应。研究发现:Co、Cu、Au等活性组分的前驱体在反应过程中能够自发形成CoO-Cu2O、Au-CoO等纳米复合活性结构,可高效提供活性氧物种,是赋予催化剂高催化性能的关键;较薄的催化壳层(1-3 μm)和大空隙率(90 vol%)可以强化传质而消除内扩散限制;针对反应的强放热性,催化剂的高导热性可以实现迅速移热从而避免催化剂床层局部热点的形成进而避免积炭的生成。此外,对本项目形成的“反应诱导构筑活性结构-强化传质传热”的协同耦合策略进行了拓展应用,在ns-γ-Al2O3/Al-fiber载体表面原位构筑Pd-MgAl-LDHs催化活性组分前驱体并用于低浓度甲烷催化燃烧,体现出良好的催化效能和传质性能;进一步以整装Ni-foam为基底、通过水热法成功制备了整装NiAl-LDHs/Ni-foam催化剂前驱体,在丙酮加氢制异丙醇反应中体现出良好的催化效能和传热性能。以上反应过程强有力地验证了本项目提出的“反应诱导构筑活性结构-强化传质传热”协同耦合的设计理念。
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
Superior FeNi3-FeOx/Ni-foam catalyst for gas-phase hydrogenation of dimethyl oxalate to ethanol
用于草酸二甲酯气相加氢制乙醇的优质 FeNi3-FeOx/Ni-foam 催化剂
DOI:10.1016/j.apcatb.2020.118873
发表时间:2020
期刊:Applied Catalysis B: Environmental
影响因子:--
作者:Zhu Jian;Zhao Guofeng;Sun Weidong;Nie Qiang;Wang Song;Xue Qingsong;Liu Ye;Lu Yong
通讯作者:Lu Yong
Ag–CoO nanocomposites for gas-phase oxidation of alcohols to aldehydes and ketones: intensified O2 activation at Ag–CoO interfacial sites
Ag-CoO 纳米复合材料用于醇气相氧化为醛和酮:Ag-CoO 界面位点强化 O2 活化
DOI:10.1039/d0cy01613f
发表时间:2020-10
期刊:Catalysis Science & Technology
影响因子:5
作者:Kun Liu;Yichen Zhao;Jiale Wang;Qingsong Xue;Guofeng Zhao
通讯作者:Guofeng Zhao
Nanoporous Ni3P Evolutionarily Structured onto a Ni Foam for Highly Selective Hydrogenation of Dimethyl Oxalate to Methyl Glycolate
纳米多孔 Ni3P 进化结构在镍泡沫上,用于草酸二甲酯高选择性氢化为乙醇酸甲酯
DOI:10.1021/acsami.9b11703
发表时间:2019
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces
影响因子:9.5
作者:Zhu Jian;Cao Liqun;Li Cuiyu;Zhao Guofeng;Zhu Tong;Hu Wei;Sun Weidong;Lu Yong
通讯作者:Lu Yong
High-performance thin-felt SS-fiber@HZSM-5 catalysts synthesized via seed-assisted vapor phase transport for methanol-to-propylene reaction: Effects of crystal size, mesoporosity and aluminum uniformity
通过种子辅助气相传输合成的高性能薄毡SS-纤维@HZSM-5催化剂用于甲醇制丙烯反应:晶体尺寸、介孔率和铝的影响
DOI:10.1016/j.jcat.2018.01.025
发表时间:2018-04
期刊:Journal of Catalysis
影响因子:7.3
作者:Jia Ding;Pengjing Chen;Guofeng Zhao;Ye Liu;Yong Lu
通讯作者:Yong Lu
Oxidative coupling of methane: MOx-modified (M = Ti, Mg, Ga, Zr) Mn2O3-Na2WO4/SiO2 catalysts and effect of MOx modification
甲烷氧化偶联:MOx 改性(M = Ti、Mg、Ga、Zr)Mn2O3-Na2WO4/SiO2 催化剂及 MOx 改性效果
DOI:10.1016/s1872-2067(18)63076-1
发表时间:2018
期刊:Chinese Journal of Catalysis
影响因子:16.5
作者:Pengwei Wang;Xin Zhang;Guofeng Zhao;Ye Liu;Yong Lu
通讯作者:Yong Lu
富氧空穴氧化物负载Ni基金属间化合物催化CO2加氢高效合成甲醇的研究
  • 批准号:
    22179038
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    赵国锋
  • 依托单位:
整装"纤维@氧化物-FeMnK"核-壳结构催化剂的设计合成及其FTO低碳烯烃选择性调控的构效研究
  • 批准号:
    U1462129
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    赵国锋
  • 依托单位:
国内基金
海外基金