文档介绍：项目名称:
新结构高性能多孔催化材料的基础研究
首席科学家:
谢在库中国石油化工股份有限公司上海石油化工研究院
起止年限:

依托部门:
中国科学院中国石油化工集团公司
一、研究内容
本项目以替代资源节能环保的大宗化学品生产催化新技术为目标反应,包括烯烃歧化反应和多产丙烯的甲醇转化反应等增产烯烃催化反应;重芳烃转化反应和甲苯甲醇烷基化等增产芳烃催化反应;绿色烯烃催化氧化技术;手性化合物不对称催化合成等,开展新结构高性能多孔催化材料创制研究,加强多孔催化材料反应动力学及扩散规律的理论研究,解决多孔催化材料合成的形貌及孔道控制、反应动力学和扩散行为的控制、催化功能化及活性位控制、催化材料合成及催化过程的原位表征方法的关键科学问题。主要研究内容包括以下几个方面:
催化材料的结构与催化反应动力学和扩散行为的关联规律
利用动态吸附及反应表征技术,通过对不同催化反应过程中吸附扩散动力学和催化反应机理研究的结合,建立本征反应动力学模型,澄清在催化反应过程中,扩散、吸附、活化转化等步骤中影响反应速度及反应选择性的关键步骤。
采用多孔材料微结构表征技术,对催化材料的结构,包括形貌和化学结构,进行原子、分子和纳米层次上的研究,对活性中心的微环境和结构进行多方位的表征。通过对增产烯烃、芳烃及其衍生物相关的指标性催化反应和本征催化动力学、扩散动力学的研究,揭示催化材料的孔道形态、立体形貌以及活性中心结构分布与催化活性、选择性之间的关联性,为催化材料孔道结构、晶体结构形貌以及活性位结构分布的设计提供依据。
以IGA、磁天平、129Xe NMR等表征多孔材料的吸附、扩散技术,研究多孔材料晶体形貌和孔道形态与反应扩散行为的关联,针对增产烯烃和芳烃等目标催化反应,对扩散与催化反应动力学的数学关联进行归纳和提炼,对多孔催化材料的孔道形态及形貌进行微观尺度的设计。
多孔催化材料合成中多级孔道的构建和材料形貌的控制
重芳烃转化增产芳烃催化反应中,具有多级孔道结构的催化材料显示出良好的应用前景。项目将研究具有不同孔径的孔道复合等多孔材料合成方法学,包括合成共结晶分子筛、稳定介孔沸石复合材料,同时研究复合孔对反应扩散的影响规律、多级孔结构酸中心分布特异性以及对不同尺寸分子的择形效应。
多孔催化材料的晶体形貌对扩散效率具有非常显著的影响,在工业催化剂中已有采用特殊晶体形貌多孔材料提高催化性能的实际经验,但多孔催化材料的晶体形貌的合成控制及对催化反应影响的规律研究还较薄弱。本项目通过研究多孔催化材料水热晶化过程中晶体取向生长规律,研究“平板”形貌材料的合成方法,揭示不同结构的多孔材料形貌控制合成的基本规律。同时研究不同形貌多孔材料上扩散动力学和催化反应动力学的规律。
此外,项目在研究催化材料微结构与催化反应性能关系的同时,将对成型催化材料的热质传递规律进行研究,针对甲醇制烯烃、轻烃催化裂解反应,研究高耐磨微球形催化剂的成型制备技术,解决成型材料及制备过程对多孔催化材料本征催化性能、催化剂耐磨、流化性能、热质传递性能以及热膨胀性能等的影响及控制问题,制备出适应反复再生的流化床催化材料;结合催化蒸馏技术,研究整体型多级孔催化材料、无粘结剂分子筛材料的合成方法,研究整体型多孔催化材料上的扩散、反应动力学。
多孔催化材料中催化活性位结构和分布的调控
本项目针对甲苯侧链烷基化催化反应以及烯烃选择氧化反应,通过建立完善各种骨架杂原子的表征方法,研究骨架原子与杂原子的匹配规律、多孔材料不同合成前体的水解聚合及相互作用、杂原子与多孔材料骨架原子的同晶取代
及其催化性质的变化规律,合成高性能骨架杂原子多孔催化材料。
针对重芳烃加氢裂解轻质化反应、烯烃转化反应,改变制备条件控制孔道内金属氧化物分散状态,制备高分散甚至高度隔离的金属氧化物物种;采用化学嫁接等技术在多孔材料的孔道中组装金属氧化物,使其结构可以剪裁和控制,在多孔材料中组装金属和氧化物物种,研究孔道形态对金属和氧化物结构的影响,制备酸催化-加氢催化双功能催化剂以及高水热稳定性的多孔催化材料。
针对甲苯甲基化等芳烃择形转化反应,研究活性位定向覆盖技术包括改性剂链结构及反应基团与定向修饰效应的关系,成型催化材料孔结构与定向修饰效率的关系等。
针对手性化合物不对称催化合成以及环氧乙烷催化水合反应,研究有机-无机杂化多孔材料的合成规律,以及杂化材料中手性环境构建或提高耐溶胀和传热性能等,制备高性能手性催化材料及水合催化剂。
多孔催化材料合成过程及催化反应的原位动态结构表征和分子设计
研制和发展原位动态表征技术、进行多孔催化材料的合成过程及催化反应的原位研究,解决多孔催化材料合成过程中关键问题。包括水热晶化过程多孔结构组装的模板效应、晶核形成机理、晶化动力学规律和形