纳米催化剂展望.ppt

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1、纳米催化技术展望纳米催化技术展望 能源领域的应用 能源及其结构 二氧化碳的排放与国际能源需求二氧化碳的排放与国际能源需求 全球每年排放到大气中的CO2总量168000mmt，其中海洋，100000mmt；植物腐烂，30000mmt；动植物呼吸，30000mmt；人类行为，8000mmt。其中，一些不可避免的自然排放占有160000mmt的最大分量。幸运的是，海洋既能挥发，也能吸收大量的CO2。据估计，全球每年净增的C02总量约3300mmt。二氧化碳的排放与国际能源需求二氧化碳的排放与国际能源需求催化剂的机遇与挑战催化剂的机遇与挑战 CeO2纳米催化剂上的水汽转移反应纳米催化剂上的水汽转移反应

2、水汽转移反应 水汽转移反应设置为两步进行，第一步首先是CO的水汽转移反应，在中温条件下进行，第二步是微量CO的深度氧化过程。NexTech开发了PtCeO2无机膜结构催化剂 随膜催化剂中CeO2粒度的持续下降其WGS反应活性迅速提高。至纳米尺度时，性能最佳。催化裂化多产液化石油气体(LPG)、柴油催化剂USY分子筛进行结构设计与修饰 催化裂化反应结果 化工领域的应用展望化工领域的应用展望 v细化学品的合成，主要有以下几种特点。v 产品结构比较复杂，热稳定性非常有限。这类药用、农用化学品往往含有多种官能团，或者是异构体、立体选择性结构等，合成难度较大。v 多步合成才能得到。如合成药用精细化学品一

3、般需要510步，农用化学品一般需要37步。v 合成一般在温和条件下的溶液体系。一般为常压、中低温反应，同时，采用小型(0.510m3)间歇反应釜。v 市场容量也十分有限。药用化学品一般为11000吨年，农用化学品为50010000吨年。v 产品纯度要求高。对于药用化学品，纯度一般要高于99，残留金属含量要低于100 x10-6，生物活性的对映体纯度要高于98。v 开发周期短，一般为0.11.5年。v 附加值高。药用、农用化学品等特殊的精细化学品的合成，长期以来，一直采用非催化的有机合成反应。近年来，一些催化转化过程相继被报道，特别是一些多相催化体系的有机合成过程，显示出独特的催化合成性能，引起

4、广泛关注。催化剂对精细化学品合成的贡献v一是提供新的合成过程，二是有助于副产物的除去或转化。一般地，应从以下几个方面去考虑：合成方法的可行性、环境友好性以及产品的成本等。目前，将多相催化剂应用于精细有机合成反应，主要有下述反应途径：v 芳香基化合物的选择性加氢；v C三C选择性加氢制备cis-烯烃；v 氯代芳烃的Rosenmund还原；v 有机胺与羰基化合物的还原性烷基化反应；v 硝基芳烃的加氢甲酰化；v 有机胺与醇类的直接烷基化反应；v 有机胺、芳烃与醇类的直接烷基化反应，v H2替代金属、金属氢化物、金属硫化物的合成过程：v H2O2或O2替代金属氧化物、氧化性酸类的合成过程：v 固体酸碱

5、取代均相酸碱。精细化学品合成方面的催化剂设计v在精细化学品合成方面，催化剂选择性是最关键的指标之一。这里，选择性包括化学选择性、位置选择性、立体选择性、对映体选择性等。由于多选用选择性更为优越的过渡金属均相催化剂，选用的反应物、中间体成本较高，催化剂分离也较困难。因此，一般要求催化剂具有95以上的优越选择性。v将多相催化剂应用于精细化学品的合成，关键在于催化剂的结构设计。对于应用最为广泛的金属类催化剂，涉及金属的种类(应用最为广泛的是Ni、Pd、Pt、Cu、Rh、Ru和双金属组分等)、催化剂类别(担载型、粉末型、骨架型等)及其担载量、载体的性质(氧化铝、氧化硅、活性炭等)等。v 而对活性金属而

6、言，主要设计指标有：担载量、活性金属表面积、金属分散度(一般要求达到1060)、金属晶粒大小(0.120nm)、在载体孔道的位置、氧化态的高低等。对载体而言，主要指标是粒度大小、表面积高低、孔结构特点、酸碱性等性能。精细化学品的环境友好生产精细化学品的环境友好生产 v主要有以下特点：v最好防止废弃物的生成，而不是在废弃物生成后再进行处理或清除；充分考虑原子的经济利用，即在设计合成方法时，考虑原料进入最终产物的有效率，使所用的全部材料最大限度地进入到最终产品中；v在合成过程中所使用与产生的物质应对环境与人类健康没有毒害；v化学产品的设计应达到既能保持功能有效，又能尽量减少毒性；尽量不使用辅助物质

7、(如溶剂、分离剂等)，如果不得不使用，则它们应是无毒物质；v化学过程应达到最小的能量需求，而且要考虑到对于环境和经济上的影响，合成过程最好是在室温和常压下进行；v原材料应可以再利用，而不是一次耗尽；v避免使用不必要的添加物质，如阻断剂、保护剂与解除保护剂、物理化学过程的瞬时改良剂等；尽量采用催化剂，其选择性应明显优于一般的化学反应；v设计化学产品时，应使其功能终结后不会在环境中长期存在，而是容易分解为无害的降解产物；所开发的分析方法应是能在线地和实时地应用的方法，有害物质生成之前就能对其进行有效控制；环境领域的应用展望环境领域的应用展望 二氧化碳的排放源 全球化石能源燃烧产生的二氧化碳分布情况

8、 不同行业二氧化碳的排放情况 二氧化碳排放的控制 在二氧化碳减排方面，有五个技术选择：选择新的能源、提高能源效率、二氧化碳固定、二氧化碳分离以及二氧化碳利用。其中，选择天然气等新能源，以取代煤等传统能源，可以有效降低二氧化碳的排放。对于传统化石能源(煤、石油、天然气)，其HC比约为：煤，0.81.2；石油，1.82.0；天然气，34。随HC比的提高，燃烧时二氧化碳的排放将随之减少。因此，在使用前，如果能适度脱碳，或加氢，就可以显著降低二氧化碳的排放。另外，可以选择一些新能源，或者其他能源，如太阳能、水能、风能、生物能等。二氧化碳的固定 二氧化碳的富集、分离是二氧化碳利用的第一步。二氧化碳分离是

9、指从混合物体系通过物理与化学方法富集、分离出二氧化碳。物理分离方法有溶剂法、吸附法、膜分离法等。但是，现有分离方法耗时耗能、效率低、成本高。化学固定方法 美国1999年分离回收的液态、固态二氧化碳产量约536万吨，主要用于食品加工、制冷以及碳酸饮料业。而作为化工原料消耗的二氧化碳，仅在尿素合成方面就消耗约1000万吨，其中用于生产化肥用尿素(495万吨)、化工合成用尿素(847万吨)。可以看出，化工利用二氧化碳仍是最主要的途径，也是更有发展潜力的途径。576-3二氧化碳的应用v以二氧化碳为原料或原料之一合成一些高附加值的化学品或者材料 v充分利用二氧化碳一些独特的物理、化学性能 v取代现有化工

10、过程中一些有毒、低效原料或溶剂 v二氧化碳用于驱油、驱气，以提高采收率 v以二氧化碳为碳源合成化学品或燃料 v将二氧化碳在类似的地质条件下进一步转化为化石能源 汽车尾气净化 汽车的主要燃料依然是化石能源加工的液体燃料。这些燃料燃烧会产生一些污染气体。汽车尾气主要是二氧化碳，其中还含有NOx、CO、SOx以及未完全燃烧的烃类物质。这类汽车尾气的大量排放，造成城市区域大气的严重污染。随着世界各国汽车生产量的迅速增长，汽车保有量相应剧增，汽车尾气对大气的污染也越来越严重。在一些大城市，汽车尾气已成为大气污染的主要原因。柴油组成对车辆排放气体质量的影响 我国柴油质量现状 柴油改质的作用v减少尾气中有毒

11、气体的排放量 v减少颗粒物的排放 v尾气催化转化器需用低硫或无硫燃料 v加氢脱芳烃需先行脱硫 v减少发动机的腐蚀与磨损 柴油改质中的纳米技术 阎子峰等将合成的纳米介孔碳分子筛应用于催化柴油的吸附改质，发现这类具有特殊纳米介孔结构的碳分子筛显示出优越的改质性能。其XRD谱图。如这类纳米介孔结构碳分子筛表面积很高，介孔结构十分发达，并且分布集中，同时内表面还富集各类活性集团，很适合对劣质柴油进行处理。但单纯使用该基质材料，还不能达到处理要求。为此，利用一些特殊的表面修饰改性手段，在基质碳分子筛上锚定一些特殊活性基团，使基质材料表面具有多种活性结构，以适应对劣质柴油改质的需要。表是经纳米介孔分子筛吸

12、附改质后的评价结果。表面修饰的改质剂具体特点 v 改质条件温和，改质温度在50100之间，完全可以利用再生余热实现热量优化使用。v 纳米介孔结构碳分子筛具有表面酸性，能有效处理柴油中碱氮组分，脱氮率可达80以上。v 纳米介孔结构碳分子筛可脱除柴油中的酸性硫组分，如硫醇，脱硫醇率高达90以上，具有很高的脱臭能力。v 利用纳米介孑L结构碳分子筛特征的孔结构，可以有效地脱除柴油中的石蜡组分，有效降低柴油的凝固点，降幅一般在38oC范围。v 纳米介孔结构碳分子筛可以有效脱除稠环芳烃、胶质等重组分，改善柴油的色度、安定性等性能。v 改质处理过程中，由于不存在烯烃饱和等过程，因此改质后汽油的辛烷值明显改善

13、，一般提高25单位；有效避免了加氢精制带来的辛烷值下降的问题。v 这类柴油改质剂，可以在相对温和条件下得以再生，使用寿命长，可达1500g柴油(g改质剂)，汽油改质剂，使用寿命可达2500g汽油(g改质剂)。废水处理废水处理 废水处理就是将工业、生活废水中含有的有毒化学品、悬浮物、泥沙、细菌等污染物从水相中除去，改善排水的清洁度，尽可能提高水的利用效率。传统的废水处理工艺效率低下、处理成本高、二次污染严重、耗时耗能，因而废水处理一直是化工生产最棘手的困难之一。生物技术领域的应用展望生物技术领域的应用展望 酶催化工业技术酶催化工业技术598酶催化工业技术开发酶催化工业技术开发酶催化工业设计酶催化工业设计包括酶的筛选、培养、分离甚至固定等不同的工序