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,Integrateddesignforsolidcatalystsinmultiphasereactions,前言,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。,催化剂的顺序发展,活性催化组分,优化活性组分,催化剂工程,真实条件下测试,反应性筛选,材料科学无机化学,动力学和热力学,表面科学和物化特性,对毒性和失活的灵敏度,材料工程（整体、力学特性等）,真实空速，失活等,图1（a）催化剂发展的顺序图,催化剂综合设计,催化组分的设计,载体结构的设计,先进反应器设计,动力,结构特性,反应器工程,形貌、尺寸和力学特性,流体动力学,传质、传热,物化特性,反应机制,表面科学,稳定和失活,图1（b）催化剂综合设计,催化剂尺寸和多相反应的反应器设计,分子级,反应器级别,宏观,微观,纳米,催化剂设计,反应器设计,活性位,活性位空间分布,纳米和微观结构,结构反应器,纳米流体动力学机制,活性位周围环境,形态和微观组分,孔层结构,催化剂颗粒几何尺寸,试剂和能量简况,气,液,催化剂球,筛孔,块状,泡沫,纤维,球,主要影响,固有活性,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,催化剂效率、失活、机械强度、传递和扩散,流体化、机械强度、反应控制、浓度梯度、多功能性、恢复,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,图2催化剂和多相反应器设计的尺寸级别,催化剂综合设计的多学科方法,工程,物理,理论,化学,材料科学,表面科学,催化应用,建模,图3催化剂设计的多学科方法,纳米级别的催化剂设计,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。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,图4分子与纳米尺寸区别的原理图解,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,图5Ti-Si分子筛和TiO2/SiO2上Ti位周围的局部环境,微观级别的催化剂设计,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。,微观级别的催化剂设计,多孔层,图6不同温度窗下的多层反应催化剂对有氧时丙烯对NO吸收的选择性原理图解,直径：200um厚度：20-50um,空心纤维的选择性,催化剂纳米颗粒,图7内含催化剂颗粒的中空纤维渗透膜原理图解,宏观级别的催化剂设计,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。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：,在多相反应中为了优化表现，需要合适的