在全球气候变暖的背景下,碳捕集与封存技术(CCUS)作为减少温室气体CO₂ 排放和实现“双碳”目标的关键技术受到了广泛关注。CO₂捕集技术操作成本占整个CCUS成本的70%,是CCUS技术的核心。PCET(质子耦合电子转移)反应机制作为能源转换和环境保护领域至关重要的反应路径,在CO₂捕集技术中展现出巨大的应用潜力。介绍PCET的机理,概述PCET应用于电催化CO₂捕集的最新研究进展,深入分析相关技术的性能优势,并进一步展望未来发展方向,以期为CO₂捕集研究提供理论参考。

催化燃烧法是目前净化挥发性有机物最有效的方法之一,设计高效催化剂至关重要。对该领域国内外专利申请的概况和主要申请人进行统计分析,详细梳理挥发性有机物催化净化领域主要催化体系的重点专利和各技术体系的演进发展过程,结合该领域技术发展现状,给出挥发性有机物净化催化剂研发方向的合理化建议,以期为后续开发高活性、高稳定性、适用范围广的催化剂及其工业化应用提供借鉴,为专利申请和布局提供有价值的参考。

机械强度是固体催化剂发挥其性能的重要前提,成型工艺能够为固相催化剂提供适宜形状、大小及优良机械强度。在众多成型方法中,挤出成型技术凭借其显著的生产效率优势、良好的工艺连续性以及广泛的应用适应性,成为工业化生产中最具竞争力的成型方式,在催化材料制备及陶瓷工业中得到规模化应用。挤出成型过程中,催化剂强度受到成型条件和热处理过程众多因素的影响。对挤出成型过程的催化剂挤出成型机理、挤出条件和热处理过程进行概述,介绍粉体粒度、混捏时间和方式、水粉比、胶溶剂、助挤剂、粘结剂、干燥过程和焙烧过程对催化剂强度的影响以及调控措施,对于制备稳定可控的高强度催化剂以及延长工业催化剂运转周期具有重要意义。

银催化剂是目前生产环氧乙烷(EO)唯一的工业催化剂,但存在催化剂结构复杂,机理不明确,转化率低,反应物分压低,循环流及产物分离能耗大,CO₂排放量高等问题。单原子催化剂(SACs)凭借高原子利用率、高活性和高选择性以及结构明确,机理清晰,结构与性能可控等突出优点在乙烯环氧化反应中展现出巨大的应用前景。综述该领域SACs设计策略,主要分为单原子热催化剂和单原子电催化剂。阐述该领域催化剂研究进展以及面临的挑战,并基于相关的研究报道,给出了一些解决困境的方法和建议,包括SACs的稳定性改进、规模化制备技术、新型SACs设计以及催化机理的深入探索辅助方法。

针对SAPO-5/SAPO-18共晶分子筛合成过程中存在的拓扑竞争、模板剂依赖及高溶剂消耗等问题,提出一种无溶剂绿色合成策略,系统探讨了晶化时间、晶化温度及前驱体配比对共晶结构形成的影响规律。通过优化原料物质的量配比[Al₂O₃∶P₂O₅∶SiO₂∶DIEA (N,N-二异丙基乙胺)=1.0∶0.73∶0.6∶1.5]及晶化条件(180 ℃,24 h),成功制备出高结晶度的SAPO-5/18共晶分子筛。XRD分析表明,晶化初期以SAPO-18(AEI相)为主,延长晶化时间SAPO-5(AFI相)逐渐成核,形成双相共晶结构。晶化温度提高可促进AFI相生成,而降低硅含量(SiO₂/Al₂O₃=0.4)或模板剂量(DIEA/Al₂O₃=1.0)则显著降低AEI骨架结晶度。通过改变晶化条件可以实现SAPO-5、SAPO-18以及SAPO-5/18共晶分子筛晶型和形貌的有效调控。该无溶剂法为共晶分子筛的绿色合成及工业催化应用提供了新途径。

采用水热合成法分别制备Ni/ZrO₂和Ni/TS-1,并通过在Ni/TS-1表面包覆 ZrO₂制备Ni-TS-1@ZrO₂核壳型催化剂。结合N₂吸附-脱附、XRD、TEM、XPS等表征方法对3种催化剂进行分析,探究Ni-TS-1@ZrO₂的核壳型结构对催化剂活性、稳定性以及抗积炭性能的影响。结果表明,Ni-TS-1@ZrO₂催化剂的比表面积最大,介孔数量最多。包覆ZrO₂后,具有核壳结构Ni-TS-1@ZrO₂的反应活性明显增加,CH₄、CO₂的转化率显著提高。在反应温度700 ℃、反应时间2 h条件下,Ni-TS-1@ZrO₂催化剂的CH₄转化率为86.1%、CO₂反应转化率为91.4%,产物中H₂/CO的比值为0.91。Ni-TS-1@ZrO₂催化剂上CH₄、CO₂转化率和H₂/CO比值随着反应温度的升高逐渐提高。

采用浸渍法合成一系列的不同磷前驱体以及负载量的纳米片ZSM-5分子筛,并通过X射线衍射、扫描电子显微镜、N₂物理吸附-脱附、NH₃程序升温脱附等表征手段对其晶型、形貌、孔道结构及酸性进行表征,系统研究了磷改性对纳米片ZSM-5水热稳定性和正丁烯耦合甲醇共裂解反应性能的影响。采用不同磷前驱体[(NH₄)₂HPO₄和H₃PO₂]对催化剂进行改性,在800 ℃、100%水蒸汽下处理4 h,发现H₃PO₂改性显著提高了样品的水热稳定性。基于此,进一步考察了H₃PO₂负载量对样品水热稳定性和反应性能的影响。实验结果表明,当H₃PO₂负载量为质量分数0.5%时,催化剂在上述严苛条件下水热处理后,在正丁烯耦合甲醇共裂解反应中仍表现出优异的稳定性和低碳烯烃收率,水热处理后样品的正丁烯初始转化率可达68%,较未改性水热处理后样品提高了近20个百分点;乙烯和丙烯的初始总收率较未改性水热处理后的样品提高了近25个百分点,在反应340 h后乙烯和丙烯的总收率仍可达到40%。

传统粉体光催化剂在应用中面临易团聚,长期稳定性不足,使用后回收困难等问题。相比之下,块体催化剂可以直接应用于固定床或连续流反应器中,易于分离,更符合工业化需求。然而,当前关于块体光催化剂分解水制氢的报道仍然很少且催化剂制备方法复杂,亟需开发出更多的高性能块体光催化剂体系及简单快捷的制备方法。以镍泡沫为催化剂载体,采用一步水热法成功在其上可控制备出Ni₃S₂-ZnIn₂S₄异质结块体光催化剂。镍泡沫不仅作为载体为块体催化剂提供强度支撑,还在反应中作为镍源原位生成Ni₃S₂助催化剂,Ni₃S₂与ZnIn₂S₄形成异质结,显著提升了催化剂的光催化活性以及稳定性。最优的Ni₃S₂-ZnIn₂S₄块状催化剂展现出优异的光催化产氢性能,5 h累计产氢量达到48.6 μmol,为相应粉末光催化剂产氢量的3.4倍,也优于诸多文献报道的高性能块体光催化剂。该方法简单可行,具有良好的兼容性和可扩展性,为制备大规模光催化分解水制氢系统提供了新思路。

采用第一性原理,分别研究碳纳米管负载Co₆团簇(Co₆@CNT)和Ni₆团簇(Ni6@CNT)上氨分解的机理。通过构型优化,获得了氨分解反应过程涉及的相关物种的最稳定构型,得到各物种的吸附能。研究发现,碳纳米管作为载体时,明显增强了金属团簇的吸附能力。探索氨分解过程中所涉及到的基元反应NH_3.→NH₂+H、NH₂→NH+H、NH→N+H以及N+N→N₂的过渡态,获得反应热和活化能。结果表明,碳纳米管作为载体时大幅增强了Co₆团簇、Ni₆团簇的催化活性。

丙烷脱氢(PDH)技术是生产丙烯的重要途径,但其催化剂易因积炭失活导致性能衰减。聚焦移动床PDH工艺,通过调控载体孔结构与机械强度,探究其对催化剂性能的影响。采用不同扩孔剂[PET-1000、PET-5000及聚乙烯吡咯烷酮(PVP)]制备氧化铝基载体(RS-1~RS-4),并通过等体积共浸渍法负载Pt基活性组分,制得系列催化剂(RSC-1~RSC-4)。氮气吸附-脱附与强度测试表明,添加扩孔剂显著增大载体孔径(从10.9 nm增至24.5 nm),且PVP的引入通过增强颗粒结合力,缓解了扩孔导致的强度下降。在600~620 ℃、常压、n(H₂)∶n(C₃H₈)=0.5的条件下评价催化剂性能。结果表明,大孔径载体制备的RSC-3和RSC-4催化剂因优化传质过程,积炭减少,原料转化率与产物选择性衰减速率显著降低,稳定性优于小孔径催化剂(RSC-1)。载体孔径扩大与机械强度的协同调控可有效提升PDH催化剂的抗积炭能力与使用寿命,为工业催化剂设计提供了关键优化方向。未来研究将聚焦助剂协同效应与再生性能的进一步优化。

以钴卟啉/N-羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI)为催化剂,分子氧为氧化剂,研究催化正丁烷液相选择性氧化制备甲乙酮的工艺。在优化的反应条件下(正丁烷64 mmol,钴卟啉用量为1.0×10^-3 mmol,NHPI用量为物质的量分数1.2%,100 ℃,1.0 MPa)反应4 h后,正丁烷的转化率达到36.6%,甲乙酮的选择性为83.6%。机理研究表明,正丁烷氧化是自由基历程的反应,原位紫外光谱证明钴卟啉活化分子氧生成高价钴卟啉活性物,进而与烷基自由基结合生成了甲乙酮。

以3-甲基-2-硝基苯甲酸为原料连续催化加氢制备3-甲基-2-氨基苯甲酸,研究反应温度、压力、氢料物质的量比、空速对产物分布的影响,并对催化剂稳定性进行评价。结果表明,采用以甲酸处理的碳载体制备而成的1%Pt/C催化剂,在反应温度100 ℃、反应压力1.5 MPa、氢料物质的量比为7、空速0.6 h^-1的最佳反应条件下,原料转化率和产物选择性均为99%以上。在该催化体系下,反应稳定性较好,催化剂寿命较佳。该研究结果可为工业化生产提供工艺参数,并对工业生产结果调变提供技术指导。

为了探究以加热方法解决电站锅炉空气预热器因硫酸氢铵生成而导致的积灰问题的可行性,对沉积有硫酸氢铵的氧化铝、石英砂和煤灰样品,在N₂气氛下,以20 ℃/min升温速率从30 ℃升温到920 ℃,采用同步热分析和傅里叶变换红外光谱联用仪分析加热过程中硫酸氢铵的分解特性。结果表明,沉积于不同物质上的硫酸氢铵分解特性不同,其分解特性与物质种类及成分有关。其中沉积在石英砂中硫酸氢铵的热分解特性与纯硫酸氢铵相近似,主要为硫酸氢铵的受热分解;而沉积在氧化铝和煤灰中的硫酸氢铵的热分解特性与纯硫酸氢铵明显不同,主要为硫酸氢铵与沉积底物反应产生气体及生成的产物分解生成气体导致的质量下降,且生成的产物分解前熔点低于硫酸氢铵,从而加剧堵灰。