碳氢燃料主动冷却用HZSM-5纳米片涂层的可控制备与催化裂解性能

Hydrocarbon fuel is an ideal coolant for the thermal management system of hypersonic aircrafts. The catalytic coating inner the micro cooling channel with excellent activity, stability is the crucial and challenging techniques for accelerating release of the fuel heat sink. In this project a novel catalytic thin-film of HZSM-5 nanosheets growing on the cooling channel surface was proposed in view of the their unique quasi 2-dimessional structures, excellent pore diffusion behavior, which may leads to remarkable catalytic performance for the supercritical hydrocarbon fuel. The principal issues concerned in this project includes: developing the second growth method to prepare the catalytic thin-film of HZSM-5 nanosheets on the substrates; elucidating the primary growth mechanism induced by the nano-seeds on the substrates and the multi-branching growth mechanism forming the aggregates of nanosheets; enhancing the thermal stability of the nanosheets and the mesopores between them by introducing different pillared structures; tailoring the strong acid sites over the external surface of HZSM-5 nanosheets by the modification with large organic silance; the effect of morphology and micro/meso-structures on the catalytic performance (activity, stability) . To summarize, an innovative catalytic material for the controllable catalytic pyrolysis of hydrocarbon fuel will be developed for the potential application in the advanced catalytic/heat exchanger of the hypersonic aircrafts.

碳氢燃料主动冷却是解决高超声速飞行器热防护难题的新思路。高活性催化剂涂层是实现燃料热沉快速释放的关键技术。本项目期望在冷却通道内制备HZSM-5纳米片催化涂层，利用纳米片独特的准2维结构及其优异扩散特性，解决分子筛涂层催化活性的瓶颈问题。研究内容主要包括：纳米晶种诱导片层的多级生长机制，及二次生长法制备HZSM-5纳米片涂层中合成因素调变催化涂层形貌的规律，确定高活性纳米片涂层的形貌及可控制备方法；纳米片层间引入无定型硅和交叉互生柱撑的方法，及其增强层间介孔热稳定性的作用机制；大分子有机硅烷选择性修饰调变纳米片外表面强酸位的作用，及其对催化活性和稳定性的影响规律；纳米片催化涂层的微介观结构（形貌、孔结构等）与催化裂解超临界碳氢燃料性能的关系。本项目着力解决HZSM-5纳米片催化涂层控制合成中形貌控制、结构热稳定性改善和表面强酸位调控等关键问题，为高超声速飞行器新型冷却结构提供关键催化材料。

本项目通过设计制备冷却通道内制备HZSM-5纳米片催化涂层，利用纳米片独特的准二维结构及其优异扩散特性，解决分子筛涂层催化活性的瓶颈问题。首先采用双模板剂的方法实现柱撑HZSM-5纳米片薄膜的可控合成，防止高温焙烧过程中片层结构的坍塌，提高片层结构热稳定性，柱撑分子筛的介孔比表面积及介孔体积相比普通纳米片HZSM-5分别提高32%和34%，在催化正癸烷裂解反应中，低碳烯烃选择性提高了16.5%，催化稳定性显著改善。在此基础上，利用化学液相沉积法调控纳米片分子筛的表面酸密度，结合HZSM-5纳米片良好的扩散性能和硅烷改性获得的可控外表面酸密度，抑制双分子齐聚反应等副反应，提升烯烃的选择性。在催化正癸烷裂解反应中，优化后的催化剂低碳烯烃收率达到了28.3%，因此，合适的B酸分布是改善裂解产物分布的重要途径。 进而合成不同厚度的HZSM-5纳米片结构来实现内外表面酸分布的调控，并同时提高纳米片分子筛的稳定性，结果表明，不同厚度纳米片随反应温度的增加均表现出增加的低碳烯烃选择性，且合适厚度的纳米片（17.9 nm）具有最佳的反应性能，其表现出了最高的低碳烯烃选择性和长时间反应稳定性（反应730 min后转化率保持在91.5%）。本项目解决了HZSM-5纳米片催化涂层控制合成中形貌控制、结构热稳定性改善和表面强酸位调控等关键问题，将为高超声速飞行器新型催化冷却结构提供关键催化材料。