催化学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (12): 2141-2148.DOI: 10.1016/S1872-2067(20)63786-X

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多相催化时空演变的全生命周期表征策略

郑仁垟a, 谢在库a,b,*()   

  1. a中国石油化工股份有限公司, 北京100728
    b中国石化上海石油化工研究院绿色化工与工业催化国家重点实验室, 上海201208
  • 收稿日期:2020-12-26 接受日期:2020-12-26 出版日期:2021-12-18 发布日期:2021-02-22
  • 通讯作者: 谢在库
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22088101)

Full life cycle characterization strategies for spatiotemporal evolution of heterogeneous catalysts

Renyang Zhenga, Zaiku Xiea,b,*()   

  1. aChina Petroleum & Chemical Corporation, Beijing 100728, China
    bState Key Laboratory of Green Chemical Engineering and Industrial Catalysis, SINOPEC Shanghai Research Institute of Petrochemical Technology, Shanghai 201208, China
  • Received:2020-12-26 Accepted:2020-12-26 Online:2021-12-18 Published:2021-02-22
  • Contact: Zaiku Xie
  • About author:* E-mail: xzk@sinopec.com
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22088101)

摘要:

可持续发展的化学工业需要新型高效的催化材料和催化过程, 尤其需要生态友好、本质安全的新催化过程, 其本质是提高合适反应器内催化剂的选择性、活性和稳定性. 因此, 通过原位技术实时表征反应状态下的催化剂结构并同步测试催化性能, 有助于全面研究真实反应条件下催化剂及其表面物种随时间的演变过程, 深入理解催化剂构效关系的本质, 为开发新一代催化技术提供科学依据.

迄今, 在实际催化体系中实现催化剂从活化、运行到失活的全生命周期表征仍存在巨大挑战. 本文综述了分子筛、金属、金属氧化物三类典型催化剂在甲醇制烯烃、费托合成、丙烷脱氢等催化反应中的全生命周期时空演变, 分析了所采用的表征研究策略, 以期为新型工业催化的应用基础研究提供启示. 据文献报道, 甲醇制烯烃反应案例主要利用了原位紫外-可见光谱和固态核磁共振光谱等获得SAPO-34分子筛催化剂从诱导期、自催化期到失活期的表面烃池物种性质和动态演变; 费托合成反应案例主要利用了同步辐射X射线衍射计算机断层扫描和X射线吸收光谱等技术研究单个毫米级Co/γ-Al2O3催化剂颗粒在还原条件和费托合成条件下的催化剂结构演变; 丙烷脱氢反应案例主要结合原位的紫外-可见和拉曼光纤探头分析了CrOx/Al2O3催化剂在700 ml固定床反应器中不同床层积炭的时空演变.

这些研究案例表明, 因受限于表征仪器的时空分辨率和适用工况, 多数重要的催化反应尚未完全实现工业条件下的全生命周期表征; 但通过合理简化非关键变量, 可以获得近似工业条件下的多相催化时空演变规律, 这些原位表征研究拓展了多相催化的新认识新发现. 着眼未来, 近似工业反应条件的原位表征、多尺度的原位表征装置设计、反应条件下的计算模拟等策略将在催化研发中发挥重要作用. 这些全生命周期表征策略反映了催化研究范式的转变, 但将其应用于工业实践仍面临许多科学和工程的挑战. 从实际应用角度看, 还需综合考虑原位表征技术的成本、安全性和准确性, 重视催化剂颗粒及反应器尺度的原位表征, 不断推进新型催化剂的研发.

关键词: 多相催化, 原位表征, 甲醇制烯烃, 费托合成, 丙烷脱氢

Abstract:

The sustainable development of the chemical industry requires novel and efficient catalysts and catalytic processes, especially eco-friendly and intrinsically safe processes. The idea is to improve the selectivity, activity, and stability of the catalyst in an appropriate reactor. Therefore, it is of great academic and industrial significance to conduct in-situ characterization of a working catalyst while testing its catalytic performance. This is beneficial for a comprehensive study on the dynamic evolution of the catalyst structure under real conditions, deepening the understanding of the structure-performance relationship of catalysts, and providing a scientific basis for the development of future generation catalytic technology. Thus far, it is still a great challenge to realize full life cycle characterization of heterogeneous catalysts from catalyst formation and function to deactivation under real world conditions. In this mini review, we summarize the characterization strategies for heterogeneous catalysts, using zeolite, metal, and metal oxide catalysts as typical examples. The research strategies for the approximation of industrial conditions, multi-scale in-situ characterization devices, and computational modeling of realistic conditions should provide insight for the research and development of industrial catalysis.

Key words: Heterogeneous catalysis, In-situ characterization, Methanol-to-olefins, Fischer-Tropsch synthesis, Propane dehydrogenation