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铜基催化剂在甲烷直接氧化制甲醇反应中活性位点的结构研究

批准号:
22102013
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
刘召辉
依托单位:
学科分类:
催化化学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘召辉

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
甲烷直接氧化制备各种化学品是提高天然气利用效率的直接和有效途径。铜(Cu)/分子筛催化剂因能够在较低温度下催化甲烷选择性氧化到甲醇而成为研究热点。尽管多种光谱学和计算方法被用于研究Cu/分子筛催化剂,但对于其催化活性位点的确切状态仍然存在很多争议。本项目拟使用我们团队新开发的低剂量高分辨(扫描)透射电子显微镜技术对Cu/分子筛催化剂(以及相关的Cu/氧化物催化剂)的活性位点的结构和位置进行精确表征。利用这一技术,我们能够在原子分辨率尺度直接观察催化剂中Cu物种的存在形式,并同时使用电子能量损失谱确定其化学环境和价态。结合催化剂在甲烷直接氧化制甲醇反应中的催化性能,我们可以构建催化活性位点与反应性能之间的构效关系,更加深入地理解Cu基活性结构的催化作用机制。
英文摘要
Direct oxidation of methane to produce various chemicals is a direct and effective way to improve the efficiency of natural gas utilization. Copper (Cu)/zeolite catalysts have attracted great research attention, due to their unique ability to catalyze the selective oxidation of methane to methanol at lower temperatures. Although a variety of spectroscopies and calculation methods have been used to study Cu/zeolite catalysts, there are still disputes and controversies about the exact state of their catalytic active sites. In this proposed project, we will use our newly developed low-dose high-resolution (scanning) transmission electron microscopy technique to precisely characterize the structure and position of the active site in Cu/zeolite catalysts (and related Cu/oxide catalysts). This technique will allow us to directly observe the Cu species in the catalyst with atomic resolution and determine their chemical environments and valence states through electron energy loss spectroscopy. The ultimate goal of this project is to construct the structure-activity relationship for Cu-based catalysts, and gain more new insights into the catalytic mechanism of Cu species in the reaction of direct oxidation of methane to methanol.
烷烃催化转化制备高价值化学品是重要的化工过程。甲烷直接氧化制备各种化学品是提高天然气利用效率的直接和有效途径。铜(Cu)/分子筛催化剂因能够在较低温度下催化甲烷选择性氧化到甲醇而成为研究热点。尽管多种光谱学和计算方法被用于研究Cu/分子筛催化剂,但对于其催化活性位点的确切状态仍然存在很多争议。本项目通过三个方面的研究工作:(1)Cu/分子筛催化剂的制备及其活性结构的表征;(2)Cu/分子筛催化剂在甲烷氧化反应中的催化性能研究;(3)单组分、自支撑Zn₂SiO₄催化剂在丙烷脱氢反应中的应用研究。分别取得了如下结果:(1)采用溶液刻蚀的方法成功制备超薄分子筛,并通过离子交换的方法在分子筛中进行Cu活性结构的构筑。使用iDPC-STEM技术能够发现ZSM-5分子筛孔道内部的结构单元,但是更为精细的Cu结构尚未能很好的展现出来。(2)进行了Cu/分子筛催化甲烷氧气氧化制备甲醇的性能研究。经过300 °C反应后,甲烷转化率较低。进一步,我们开展了甲烷通过双氧水氧化制甲酸的研究。相比之下,发现氢气处理后Fe/ZSM-5具有较高的甲酸产量(160 mmol gcat⁻¹.h⁻¹),并且,我们发现Fe物种大多以骨架铁和骨架外的低聚铁的形式存在。(3)我们证明了Zn₂SiO₄晶体材料可以作为一种新型的自支撑催化剂,在丙烷无氧脱氢反应中表现出显著的活性和选择性。与传统的负载型ZnOx催化剂相比,Zn₂SiO₄除了易于大规模低成本合成外,还具有高稳定性和可再生性。项目的顺利实施和开展为催化剂局部结构设计、精细表征及其在催化反应中的性能调控提供了新思考和新方向,具有重要的科学价值和应用前景。
基于金属-载体强相互作用构筑高效CO2加氢催化剂
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2024
  • 负责人:
    刘召辉
  • 依托单位:
国内基金
海外基金