非平衡等离子体与催化协同常温一步转化CH4/CO2制乙酸及机理研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21908016
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    26.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0805.过程强化与化工装备
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

CH4 and CO2 are not only the main greenhouse gases, but also the key feedstocks for C1 chemistry. Currently, the effective utilization of CH4 and CO2 have turned into a hot and challenging issue. Direct conversion of CH4 and CO2 to acetic acid (CH3COOH) is an ideal reaction with 100% atomic efficiency. At low temperature, however, this reaction suffers double restrictions from dynamics and thermodynamics due to excellent stability of CH4 and CO2 molecules. At high temperature, however, production of CH3COOH is restrained since it is more active than feed gas. In this project, we propose a strategy of introducing a non-volume work into feed gas, i.e., synergy between non-equilibrium plasma and catalyst, to promote CH4/CO2 reaction for CH3COOH at room temperature. However, low conversion (CH4 and CO2) and unsatisfied selectivity (CH3COOH) are obtained in preparatory experiment, which are mainly caused by poor activity of catalysts at room temperature. To overcome this key problem, this project focuses on design of highly active catalysts through bifunctional construction by combining metal sites and acid sites and dielectric regulation by introducing materials with varied dielectric constant. Combining with reaction performance, a structure-activity relationship of catalyst with reaction will be obtained, and it will guide further optimization of catalyst to enhance the synergy between plasma and catalyst and to improve catalytic performance. In addition, during CH4/CO2 reaction process, in situ diagnostics (e.g., OES, DB-FTIR) will be used to detect and monitor the intermediates in plasma zone and on catalysts surface, which are crucial to reveal the quantity-activity relationship of intermediates with reaction performance. Finally, the reaction mechanism will be clarified based on the structure-activity relationship and the quantity-activity relationship.
CH4和CO2均是温室气体,也是一碳化学重要原料,两者有效利用是当前研究热点和难点。由CH4和CO2出发制乙酸是原子利用率100%的理想反应,但因两者化学性质稳定,低温反应受动力学和热力学双重限制,而高温反应不利于乙酸生成。为了突破动力学和热力学双重限制,本项目提出向反应体系引入非体积功的策略,即利用非平衡等离子体和催化剂协同作用,常温一步转化CH4和CO2制乙酸,但因低温时催化剂活性低,导致原料转化率和乙酸选择性低。为攻克该关键问题,本项目兼顾催化剂催化功能和电化学性,重点研制金属中心和酸中心协同的双功能催化剂,调控其介电常数,建立其组成结构与反应性能的构效关系,指导催化剂优化,增强催化剂与等离子体协同效应,提高原料转化率和乙酸选择性;利用发射光谱、双光束红外光谱等技术原位诊断等离子体区非稳态物种和催化剂表面吸附态物种,建立活性物种与反应性能的量效关系,再结合构效关系阐明反应机理。

结项摘要

CH4和CO2是大气中主要温室气体,也是一碳化学与化工重要原料,由两者出发直接制乙酸是原子经济性100%的理想反应,是学术界和工业界关注的焦点和难点。然而,该反应处于起步阶段,相关催化剂研究极少,并且催化活性位不明。本项目以外场强化常规催化过程为技术手段,突破反应热力学限制,成功在温和条件下将CH4和CO2一步转化为乙酸。项目聚焦等离子体催化CH4/CO2制乙酸的双功能催化剂研发、放电反应器结构优化和添加气研究。通过双功能催化剂反应性能评价及其物化性质分析和原位等离子体区活性物种鉴别,揭示催化剂活性组分价态(Cu和Au)、酸性质(B酸和L酸)、催化剂制备方法、放电反应结构(板板式和线筒式)和添加气(H2O)显著影响反应性能。具体是,(1) 在铜基催化剂和金基催化剂中,Cu+和Au3+有利于乙酸生成,Cu2+和Au+有利于醇类生成;(2)HZSM-5分子筛具有高浓度B酸中心显著促进乙酸生成,13X分子筛只有L酸中心则显著促进醇类生成;(3)金属-B酸中心协同的双功能催化剂是等离子体催化CH4/CO2制乙酸催化剂得最佳活性位构成,离子交换法是Cu/HZSM-5和Au/HZSM-5催化剂的最优制备方法;(4)线筒式放电反应器对乙酸生成有利,板板式反应器和添加气H2O显著抑制乙酸生成,但大幅度提高醇类选择性;(5)在最优条件下,获得的CH4和CO2转化率分别为23%和27%,液态产物总选择性50%,其中乙酸选择性约为30%。(6)基于反应性能与催化剂物化性质间构效关系,本项目提出了四种乙酸生成路径。相关研究为后续等离子体催化CH4/CO2制乙酸应用研究提供重要理论基础,为温和条件下CH4和CO2利用提供一种新途径。

项目成果

期刊论文数量(3)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Biogas reforming for hydrogen-rich syngas production over a Ni–K/Al2O3 catalyst using a temperature-controlled plasma reactor
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  • DOI:
    10.1016/j.ijhydene.2022.06.135
  • 发表时间:
    2022-07
  • 期刊:
    International Journal of Hydrogen Energy
  • 影响因子:
    7.2
  • 作者:
    Yuxuan Zeng;Guoxing Chen;Qianyun Bai;Li Wang;Renbing Wu;Xin Tu
  • 通讯作者:
    Xin Tu
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  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Chemical Communications
  • 影响因子:
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  • 作者:
    Li Wang;Du Xiaomin;Yanhui Yi;Hongyang Wang;Masaud Gul;Zhu Yimin;Xin Tu
  • 通讯作者:
    Xin Tu
Insight into the synthesis of alcohols and acids in plasma-driven conversion of CO2 and CH4 over copper-based catalysts
深入了解铜基催化剂上等离子体驱动的 CO2 和 CH4 转化过程中醇和酸的合成
  • DOI:
    10.1016/j.apcatb.2022.121583
  • 发表时间:
    2022-06
  • 期刊:
    Applied Catalysis B-environmental
  • 影响因子:
    22.1
  • 作者:
    Yuezhao Wang;Linhui Fan;Hongli Xu;Xiaomin Du;Haicheng Xiao;Ji Qian;Yimin Zhu;Xin Tu;Li Wang
  • 通讯作者:
    Li Wang

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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