多相反应中固体催化剂的综合设计

多相反应中固体催化剂 的综合设计
Integrated design for solid catalysts in
multiphase reactions
S
前言
S 对多相反应中固体催化剂的综合设计需要考虑到反应的不 同规模水平，这些反应应该和反应器设计一起，用一种综 合的观点来同时讨论说明。在催化剂设计时，我们强调三 个主要层次：纳米级、微观级、宏观级。而主要讨论的三 个概念是（ i）通过将活性位周围的失活分子合并入纳米孔 腔和调整亲水基载体来控制试剂的局部有效浓度和潜在的 失活分子。（ ii）由催化剂组成的微观结构（多层设计、催 化剂主体的微型组件）所提供的可能性及（ iii）宏观催化 剂（块状、织物状、膜状）的使用提供的机会。不同水平 的设计不是独立的。他们必须用一种综合观来考虑，并且 要与反应器设计密切结合。
S 纳米结构不应该与分子级所混淆，分子级是关于活性位和它的引 入分子之间的联系。
分子级与纳米级的设计区别
例：Ti-Si分子筛和TiO2/SiO2上Ti位周围的局部环境
疏水环境
亲水环境 （由于表面羟基）
钛硅分子筛 （MFI结构）
掺杂Ti的非晶态 SiO2
微观级别的催化剂设计
S 微观级别的催化剂设计涉及到纳米尺寸的催化剂为了在宏 观结构中实现最优扩散的装配。因此，它包含了一些多层 催化剂（包括防护层）的设计内容、球形催化剂的最优空 间分布、以及催化剂组成的微观结构。
流体化、机械强度、 反应控制、浓度梯度、 多功能性、恢复
反
催化剂颗粒几何尺寸
应
器 设
反
试剂和能量简况
应
计
器 级
别
纳米流体动力学机制
筛孔
泡沫
块状
催化剂球
液
压降、内部扩散、 流体化、机械强度、污染、 相接触、反向混合、 浓度梯度、产物分离
浓度和温度曲线、 动量传递关系、产率
流体机制、压降、内部区域、 相接触、产率
催化剂综合设计的多学科方法
材料科学
工程
催化应用
化学 建模
理论
物理 表面科学
纳米级别的催化剂设计
S 纳米级即超分子级别的催化剂设计，指活性位周围环境（i）通 过弱的物理键或强的化学键（例如氢键）联系，对直接或定向反 应物的化学吸收起直接催化作用（ii）通过改变反应物基数浓度 和局部的电场及电势，改变活性位周围的局部环境的限制影响。
S 这些催化剂广泛应用于气-固相反应中，在治理汽车尾气排放中 更是有大面积的应用。
块状 泡沫状
织物状 膜状
结论：
S 在多相反应中为了优化表现，需要合适的催化剂设计并结 合反应器设计。文章中讨论了三种级别的催化剂设计。纳 米级别、微观级别、宏观级别。这三个级别的设计，在实 际中应该综合考虑而不是分开，并结合催化剂与反应器设 计的关系。
催化剂尺寸和多相反应的反应器设计
主要影响
活性位
分子级
催
活性位周围环境
纳
米
化
活性位空间分布
剂
设
孔层结构
微
观
计
纳米和微观结构
固有活性
催化剂效率、失活、 机械强度、 传递和扩散
产率、失活、局部环境、湿性
失活、活性、多相反应 扩散、机械强度、 多相接触、微观混合、 传输机制
形态和微观组分
宏
结构反应器
观
球 纤维
微观级别的催化剂设计
多孔层
源自文库
催化剂纳米颗粒
空心纤维的选择性 直径：200um 厚度：20-50um
宏观级别的催化剂设计
S 宏观级别的催化剂设计涉及到催化材料的宏观结构，为了改善多 相接触和反应率（强化过程），也为了提升催化剂的使用性能 （更简单的分离等）和对催化剂钝化的抑制。
S 多相反应中，有四种常用的催化剂结构：（i）块状（ii）泡沫状 （iii）织物状（iv）膜状
催化剂的顺序发展
反应性筛选
材料科学 无机化学
真实空速， 失活等
材料工程（整体、 力学特性等）
对毒性和失活 的灵敏度
表面科学和 物化特性
动力学和热力学
催化剂综合设计
物化特性
反应机制
表面科学
催化组分的设计
动力
结构特性
载体结构的设计
形貌、尺寸和 力学特性
稳定和失活 传质、传热
先进反应器设计
反应器工程 流体动力学