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化学链甲烷氧化偶联:基于“储氧体”的高效催化剂构筑及晶格氧迁移与选择性调控研究

批准号:
22072043
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
路勇
依托单位:
学科分类:
催化化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
路勇

项目摘要

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中文摘要
化学链(Chemical Looping,CL)反应可以将甲烷氧化偶联(OCM)的Red-Ox过程分离而成连串步骤,不仅能有效提高选择性,而且是本质安全过程,但高效CL-OCM过程构建的核心关键在于催化剂活性/选择性晶格氧储氧量的突破性提高。本申请拟开展基于“Mn2+↔Mn3+”化学循环与“储氧体(OSM)”化学复合的高效CL-OCM催化剂的裁剪设计及晶格氧迁移机制与氧化选择性调控本质的研究,考察CeO2-基、含Mn尖晶石/钙钛矿-基OSM的化学构成、晶相、晶粒尺寸和含量以及诸如微量Pd掺杂等对“Mn2+↔Mn3+”化学循环活化O2及与Na2WO4协同活化转化CH4性能的影响,借助17O同位素固体NMR等表征技术,研究揭示OSM晶格氧参与“Mn2+↔Mn3+”化学循环的迁移机制和Na2WO4对晶格氧的选择性调控本质,为发展本质安全、选择性好且易于装置大型化的OCM工艺技术提供新思路。
英文摘要
Chemical Looping concept is opening an opportunity for the development of intrinsically safe and highly efficient oxidative coupling of methane (OCM) to ethylene process, because it permits the REDOX of the OCM reaction to proceed separately as a cascade process of the REDUCTION and OXIDATION in two reactors thereby absolutely avoiding to co-feed methane with oxygen (i.e., no explosion risk). However, it is urgently calling for a groundbreaking catalyst that should have abundant active and selective lattice oxygen atoms is particularly desirable but represents a grand challenge. Herein, we propose a strategy for the development of W-Mn-Na/oxygen-storage-material(OSM) catalysts for the chemical looping OCM (CL-OCM), by chemically fusing the “Mn2+↔Mn3+” cycle that catalyzes the methane oxidation by lattice oxygen atoms with the OSM that serves as a lattice oxygen reservoir. Catalyst performance for the CL-OCM process will be investigated systematically, focusing on the tuning effect of chemical composition, crystal phase/size, content, and doping (such as Pd-doping) of the CeO2-based and Mn-containing spinel/perovskite-based OSM on the synergistic catalysis of “Mn2+↔Mn3+” chemical cycle between Na2WO4-modifier for the O2 and CH4 activation/conversion. The 17O solid-state NMR spectroscopy will be employed to explore the synergistic interaction between “Mn2+↔Mn3+” cycle and OSM. By doing so, we anticipate to reveal how the nonselective lattice oxygen atoms of the OSM transfer into the “Mn2+↔Mn3+” cycle and how the Na2WO4 additive works to make the lattice oxygen atoms migrated from bulk of the OSM through the “Mn2+↔Mn3+” cycle become selective for the methane oxidation to ethylene/ethane. We believe that our findings will stimulate the commercial exploitation of such kind of intrinsically safe and highly efficient CL-OCM process.
甲烷氧化偶联(OCM)一直是科学家孜孜以求的甲烷直接活化转化的理想路径之一。化学链反应可以将稳态操作条件下OCM的Redox过程分离而成连串步骤,不仅能有效提高选择性,而且是本质安全过程。高效CL-OCM反应过程构建的核心关键在于催化剂中高活性、高选择性晶格氧储氧量的突破性提高。提出基于“Mn2+ ↔ Mn3+”化学循环与“载氧体(OSM)”化学复合的高效CL-OCM催化剂构建策略,开展了高效CL-OCM催化剂的设计制备及晶格氧迁移机制与氧化选择性调控本质的研究。主要结果有:1)经高温焙烧Na2WO4-Mn2O3-Fe2O3混合物制得了Na2WO4/FeMnO3载氧体催化剂,可在800 oC、低剂烷质量比(13.5)的条件下,实现化学链“FeMnO3 ↔ [MnFe2O4 + MnO]”过程的高效运行,获得了20%的CH4转化率和80%的C2-C3产物选择性,且循环稳定性良好。2)揭示了Na2WO4/FeMnO3载氧体催化剂高选择性的化学本质,FeMnO3物相的生成适度降低了晶格氧的迁移活度;Na2WO4对CH4活化生成的CH3*物种吸附较稳定且利于CH3*物种脱附为气相CH3·自由基。3)结合热力学计算预测,设计制备了MnTiO3驱动的低温Na2WO4/TiO2-Mn2O3载氧体催化剂,可在740 oC、低剂烷质量比的条件下,实现化学链“[TiO2 + Mn2O3] ↔ MnTiO3”过程的高效和高选择性运行,且循环稳定性良好,高选择性源于Na2WO4促进的CH3*物种脱附为气相CH3·自由基。4)通过调变铈锆固溶体(CexZr1-xO2)Ce/Zr比及对其进行Mn2O3-Na2WO4掺杂改性,研制出具有良好低温OCM反应性能的Mn-W-Na/CexZr1-xO2催化剂,本质在于掺杂和Ce/Zr比调变促成了活性、选择性O2-氧物种在催化剂表面的生成与稳定。5)针对甲烷氧化偶联反应的强放热、快反应特性,围绕固定流化床的解决方案,通过高熔点Na3PO4替代低熔点Na2WO4及降低Na2WO4用量的方法,制得了活性/选择性好、抗团聚、耐磨损的Mn2O3-Na3PO4/TiO2和Mn2O3-Na2WO4/TiO2流化催化剂,实现了稳态流化反应50小时,获得了35%和66%的甲烷转化率和C2-C3选择性,乙烯单程收率可达15%以上。
甲醇脱氢偶联一步合成乙酸甲酯Cu/Sn(Nb,B)-分子筛催化剂的构建及催化构效关系研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    54万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    路勇
  • 依托单位:
偶联剂辅助的“NPs@Oxides”类核-壳结构跨尺度自组装及其甲烷干气重整性能研究
  • 批准号:
    21773069
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    路勇
  • 依托单位:
整装式纤维@ZSM-5核-壳结构催化剂的‘Top-Down’设计合成及其甲醇制丙烯选择性调控的构效研究
  • 批准号:
    21473057
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    90.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    路勇
  • 依托单位:
纤维结构化纳米Au(Pd)催化剂的原电池反应制备及其催化气相草酸二甲酯加氢性能
  • 批准号:
    21273075
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    80.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    路勇
  • 依托单位:
国内基金
海外基金