整装“泡沫/纤维@氧化物-贵金属”核-壳结构催化剂的‘Top-Down’一体化设计合成：乙烯室温催化燃烧构效研究及过程强化

For the removal of plant hormone and atmospheric pollutant ─ ethylene (C2H4) via catalytic combustion, the ideal catalyst should be characterized in term of room-temperature activity/stability and enhanced heat/mass transfer and permeability. For this purpose, the use of structured catalysts and reactors (SCRs) is an inevitable choice for process intensification of mass/heat transfer coupling with the development of catalytically active components and promoters. Herein, the principle goal is to explore an excellent structured catalyst for room-temperature combustion of trace C2H4 based on one-pot ‘Top-Down’ design strategy. Via the synergistic coupling of the hydrodynamics and transport inside reactor with the surface catalysis, this strategy can provide an efficient and effective monolithic catalyst with the combination of high room-temperature activity, remarkable stability, high permeability and enhanced heat/mass transfer. Effects of structural features from macro- to micro-scales and physico-chemical properties of the microstructured “foam/fiber@oxide-precious-metal” core-shell catalysts will be systematically investigated on their catalytic performance. Computational fluid dynamics (CFD) code FLUENT in combination with experimental testing will be employed to simulate the temperature and reaction distributions inside such monolithic catalytic bed, clarifying the structure-performance relationships between catalyst morphology, hydrodynamics/transport ability and process intensification.

作为一种气体植物激素和大气污染物，乙烯的催化燃烧脱除过程要求催化剂必须兼具优良的室温催化活性/稳定性和强化的热/质传递及渗透性能。因此，结构化催化剂和反应器成为必然选择，即在寻求和研制优良催化活性组分和助剂的同时，还须加强与催化剂达到良好“传质/传热”协同效果的过程强化研究。本项目基于“自上而下（Top-Down）”的反应器（Top，流动与传递）-催化剂（Down，表界面反应）一体化设计理念，研制新型整装式“泡沫/纤维@氧化物-贵金属”核-壳结构催化剂，以实现反应器内流动和传递与表界面乙烯催化燃烧反应的协同耦合，创制一种室温活性高、稳定性和渗透性优良的结构化催化剂。研究催化剂的宏-微-纳结构与物化性质对催化性能的影响关系。建立模拟、动力学和反应产物及床层温度分布测定实验方法，进行催化剂织构-流体流动与传递-过程强化的构效研究。

作为一种气体植物激素和大气污染物，乙烯的催化燃烧脱除过程要求催化剂必须兼具优良的室温催化活性/稳定性和强化的热/质传递及渗透性能。因此，结构化催化剂和反应器成为必然选择，即在寻求和研制优良催化活性组分和助剂的同时，还须加强与催化剂达到良好“传质/传热”协同效果的过程强化研究。本项目基于“自上而下”的反应器（流动与传递）-催化剂（表界面反应）一体化设计理念，利用水热氧化法在规整金属载体表面生长不同组成的氢氧化物纳米阵列，制备了整装式“泡沫/纤维@氢氧化物”规整填料，考察水热生长条件对氢氧化物壳层的物化性质的影响。在此基础上通过溶剂辅助-初湿浸渍法、偶联剂辅助自组装等方法负载催化活性组分，应用于微量乙烯催化燃烧反应，通过添加能与金属核体形成强相互作用的助剂或形成双金属纳米颗粒，实现电子效应和空间效应的有效调控，成功筛选出活性高、稳定性和渗透性优良的Au-Co3O4、Ag@SiO2、Au-Ag@SiO2/Co3O4等结构化催化剂体系，并深入研究其催化作用本质和构-效关系。对所制备的整装式“纤维@氧化物-贵金属”核-壳结构催化剂进行建模和数值模拟，得到纤维结构化床层内的流场分布、反应条件下的温度和产物分布。建立纤维结构化床层模型，在孔隙率为0.912时范宁摩擦因子和雷诺数间关系为f = 0.182+17.6/Re，高孔隙率有利于降低反应器内单位床层压降。流动传递反应模拟结果表明金属纤维床层基本无温升，床层催化剂利用效率较高。