整体型催化剂的微观结构数值化重构及其在反应-扩散过程多尺度建模中的应用

When modeling phenomena within porous catalyst particles, one has to describe a number of simultaneous processes. A fundamental understanding of catalytic reactions, i.e., cleavage and formation of chemical bonds, can only be achieved with the aid of quantum mechanics and statistical physics. An important subproblem is the description of the porous structure of the support and its optimization with respect to minimum diffusion resistances leading to a higher catalyst performance. Another important subproblem is the nanoscale description of the nature of surfaces, surface phase transitions, and change of the bonds of adsorbed species. Due to the complex spatial structure and distribution of active phase, it is difficult to establish a universal reaction-diffusion multi-scale model from molecular level to nanoscale or millimeter scale. In this research plan, by analyzing the characterization results (such as SEM, TEM, XPS, NMR, et al) of catalyst surface and spatial structure; the microstructure of porous catalyst of methane combustion is reconstructed digitally; futhurover a reaction-diffusion multi-scale model is established based on the reconstructed microstructure for the monolithic catalytic reactor. The effects of catalyst microstructure on catalytic performance would be studied based on the multi-scale model, and the research results would be utilized for the precise design of catalyst microstructure.

在研究气固催化反应中扩散时，传统方法一般对催化反应床层进行结构简化，很少涉及催化剂的微观结构以及活性组分分布对反应-扩散的影响，导致数学模型的精确度不高，且不能指导催化剂微观结构的改进。本项目书拟以用于汽车尾气处理、VOCs催化燃烧以及甲烷催化燃烧的贵金属催化剂和多组分六铝酸盐非贵金属催化剂作为研究对象，采用多种现代物理表征手段获取整体型催化剂二维和三维的显微观结构以及表面形貌，利用相位函数或等效孔道网格模型以及概率密度分布函数来重构得到描述催化剂孔道结构的数值化(或离散化)方程，建立整体型催化剂的反应-扩散数学模型，揭示催化剂的微观形貌以及表面组成分布对催化性能的定量信息，从而指导催化剂微观结构以及表面组成的精确设计。本项目书首次将图像数值化技术应用于多组分整体型催化剂微观结构重构，对多组分整体型催化剂微观结构及组分分布和反应-扩散过程之间的构效关系进行精细化模拟具有很强的创新性。

在研究气固催化反应中扩散时，传统方法一般对催化反应床层进行结构简化，很少涉及催化剂的微观结构以及活性组分分布对反应-扩散的影响，导致数学模型的精确度不高，且不能指导催化剂微观结构的改进。本项目针对这一问题，开展了实验与理论研究，获得了基础性认识。.系统研究了颗粒状和整体型催化剂的微观结构，利用数值方法研究了催化剂表面的反应机理，并在此基础上，建立了颗粒状和整体型催化剂的单颗粒模型，获得从单个催化剂纳米粒子和组分分布到整体型催化剂单颗粒直至整体型催化反应器的多尺度数学模型。.建立了基于Monte Carlo方法的的W/Mn体系催化剂上甲烷氧化偶联氧化反应模型和计算方法，从分子水平上对其微观反应机理过程进行监控，根据各种微观状态描绘出体系的静态和动态行为，在分子水平上跟踪体系的演化的特点，从而获得对微观机理的直接认识。.建立一个简洁的耦合了多孔介质模型、动力学模型和单颗粒模型的多尺度模型。单颗粒模型中包含分子扩散和反应动力学，其中，假定催化剂在CFD模型中拥有相同的计算域，确保模型在相同的外部条件有效地耦合。模型有效化后，模型可以用来预测流场中内扩散效应和固定床的催化反应。.建立了甲烷催化燃烧介观尺度的单颗粒反应-扩散模型，并对模型进行了优化。利用整体型反应器模型耦合优化的单颗粒反应-扩散模型，建立了整体反应器单孔道数学模型。利用FLUENT软件建立了包括介观催化剂颗粒上的传递反应过程以及宏观孔道与孔道之间的传热过程的整体型反应器多尺度模型。.项目研究成果主要表现在整体型催化剂表面形貌的数值化分析以及多尺度反应器建模的理论创新，在一定程度上为整体型催化剂和反应器的设计和生产提供了理论依据，为整体型催化反应器的优化提供了可靠指导。项目执行期间，课题组已在Industrial & Engineering Chemistry Research、Chemical Engineering Journal、Journal of Industrial and Engineering Chemistry等期刊上发表SCI收录论文15篇、EI收录论文2篇，申请国家发明专利1件，培养博士研究生3名和硕士研究生13名。圆满完成了原定研究内容以及各项任务指标等。