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甲烷无氧偶联用SA-FLP双活性位耦合催化剂的设计、构筑与性能研究

批准号:
22078257
项目类别:
面上项目
资助金额:
64.0 万元
负责人:
常春然
依托单位:
学科分类:
反应工程
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
常春然

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
甲烷的高效定向转化对于发展以天然气/页岩气为原料的新石化路线具有重大意义,其无氧偶联直接制C2烃因工艺简单、碳利用效率高等优点而备受青睐,但该路线因反应温度高及C2烃收率低至今未实现工业化。本项目提出通过创制单原子-受阻路易斯酸碱对(SA-FLP)双活性位耦合催化剂,强化两分子甲烷共同活化及碳氢物种表面偶联,从而提高甲烷转化率和C2烃选择性,达到降低反应温度和提高C2烃收率的目的。催化剂的研发采用“理论预测→实验验证”的新范式,首先基于过渡金属单原子和可还原性氧化物载体对SA-FLP催化剂进行高通量设计和筛选,然后对有限目标进行定向制备和催化性能验证,最后通过理论和实验揭示甲烷无氧偶联的动态机理,建立催化剂构-效关系,并在微观和宏观层次解析反应动力学。最终开发出高效、稳定、抗积碳的SA-FLP催化剂,实现甲烷无氧偶联在中等高温条件下C2烃收率>12%的目标,为其向工业化发展提供理论与技术支撑。
英文摘要
Selective conversion of methane with high efficiency is of great importance to developing new petrochemical processes by using natural gas/shale gas as resources. Non-oxidative coupling of methane (NOCM) to C2 hydrocarbons (abbreviated as C2 hereafter) has received considerable attention due to the advantages of simple process, high carbon efficiency, etc. However, the high reaction temperature and low yield of C2 greatly hinders its industrialization. In this project, we propose to develop single atom-frustrated Lewis pairs (SA-FLP) dual-active-site catalysts to improve the conversion of methane and the selectivity of C2 via enhancing the simultaneous activation of two methane molecules and the surface coupling of hydrocarbon species, for realizing the final goal of reducing the reaction temperature and improving the C2 yield of NOCM. The development of SA-FLP catalysts will follow a novel paradigm of “from theoretical prediction to experimental verification”: i) Carry out high-throughout design and screening of SA-FLP catalysts based on transition metals and reducible oxide supports; ii) Prepare selected SA-FLP catalysts and test their catalytic performance for NOCM; iii) Reveal the dynamic mechanisms of NOCM, establish the structure-function relationship of the catalysts, and analyze the reaction kinetics at the micro- and macro-levels by using combined theoretical and experimental methods. The ultimate goal of this project is to develop a kind of highly efficient, stable and coke-resistant SA-FLP catalysts to achieve the C2 yield of NOCM higher than 12% at medium-high temperature, providing theoretical and technical supports for the industrial development of NOCM.
甲烷的高效定向转化对于发展以天然气/页岩气为原料的新石化路线具有重大意义,其无氧偶联直接制C2烃因工艺简单、碳利用效率高等优点而备受青睐,但该路线因反应温度高及C2烃收率低至今未实现工业化。本项目提出通过创制单原子-受阻路易斯酸碱对(SA-FLP)双活性位耦合催化剂,强化两分子甲烷共同活化及碳氢物种表面偶联,从而提高甲烷转化率和C2烃选择性,达到降低反应温度和提高C2烃收率的目的。催化剂的研发采用“理论预测→实验验证”的新范式。在理论方面,通过密度泛函理论(DFT)计算及从头算分子动力学(AIMD)模拟等方法,首次在CeO2表面通过金属掺杂及氧空位调控策略成功构筑SA-FLP双活性位点;发现SA-FLP双活性位可以同时活化两分子甲烷,进而实现甲烷无氧偶联制乙烷和乙烯;此外,拓展了SA-FLP双活性位在甲烷和其他小分子共转化中的应用,例如SA-FLP双活性位可以同时活化CH4和HCHO,并将其高效地转化为乙醇;SA-FLP双活性位可以同时活化CH4和H2O,并将其高效地转化为甲醇;SA-FLP双活性位可以同时活化CH4和CO2,并将其高选择性地转化为乙酸;实验方面,合成了Pt/CeO2,Bi/In2O3等一系列SA-FLP催化剂;对部分催化剂表征了其SA-FLP双活性位结构;分别从热催化与光催化验证了验证SA-FLP催化剂催化甲烷无氧转化反应的可行性,并与理论计算相结合,分析了SA-FLP的协同作用对甲烷C–H键活化和C–C偶联关键步骤的调控作用,为开发新一代的甲烷无氧转化催化剂提供了理论和实验的依据。在该项目资助下,研究团队在Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Catal.、J. Catal.等权威期刊发表相关学术论文28篇,获省部级奖励2项,培养博士2名。项目负责人常春然入选国家级青年人才,项目骨干王斌入选陕西省青年科技新星,黄正清留校任教并入选西安交通大学青年优秀人才支持计划。博士毕业生班涛入职新疆大学并入选该校青年拔尖人才支持计划。
基于CeO2的固体受阻Lewis酸碱对的设计及其催化惰性小分子的理论研究
  • 批准号:
    21603170
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    21.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    常春然
  • 依托单位:
国内基金
海外基金