金/分子筛催化膜反应器用于低温一氧化碳选择性氧化反应的基础研究

金负载型催化剂具有良好的低温CO选择性氧化活性，在质子交换膜燃料电池的氢原料预处理方面具有潜在的应用前景。如何进一步提高金催化剂的催化活性，并在较宽温度范围内保证高的反应选择性是将该类催化剂推向实际应用的关键。本项目拟采用NaY型分子筛膜负载金，获得一种新型催化膜反应器，并将其用于CO选择性氧化，有望通过反应组分与金活性中心的充分接触提高反应效率，利用气体组分在膜孔道中扩散速率的差异提高CO氧化反应的选择性。项目拟采用具有中空纤维结构的NaY型分子筛膜以提高催化膜的装填密度；采用离子交换法制备金/分子筛催化膜，并通过引入过渡金属助剂提高膜催化性能；在活性评价和物化表征基础上，深入研究催化膜微结构与反应性能间的关系、组分在膜孔道中的扩散行为、CO选择性氧化反应动力学和膜反应器稳定性，揭示膜催化反应机理，并进一步建立膜反应器数学模型，通过模拟计算获得优化的催化膜微结构参数和膜反应操作参数。

金负载型催化剂具有良好的低温CO选择性氧化活性，在质子交换膜燃料电池的氢原料预处理方面具有潜在的应用前景。如何进一步提高金催化剂的催化活性，并在较宽温度范围内保证高的反应选择性是将该类催化剂推向实际应用的关键。本项目采用NaY型分子筛膜负载金，获得一种新型催化膜反应器，并将其用于CO选择性氧化，期望通过反应组分与金活性中心的充分接触提高反应效率，利用气体组分在膜孔道中扩散速率的差异提高CO氧化反应的选择性。本项目围绕中空纤维载体的制备技术、中空纤维催化膜的设计开发、中空纤维催化膜CO选择性氧化反应机理和中空纤维催化膜反应器过程优化等四个工序进行了研究，并取得重要进展。在中空纤维载体的制备技术方面，研制出具有非对称结构、适合分子筛膜生长的氧化铝中空纤维载体，设计开发出兼具高通量与高机械强度的四通道氧化铝中空纤维载体，并实现了批量化制备；在中空纤维催化膜的设计开发方面，研制出具有良好CO2分离性能的中空纤维NaY分子筛膜，研制出具有高反应活性、高选择性与高稳定性的中空纤维Au/ZrO2和Au-Zr/NaY催化膜用于低温CO选择性氧化反应；在中空纤维催化膜反应机理方面，研究了助剂与金活性物种的相互协同作用，利用CO2在催化膜孔道中的及时移除强化了膜的稳定性；在中空纤维催化膜过程优化方面，研究了催化膜颗粒反应动力学与气体组分在膜孔道中的扩散行为，建立了膜反应器数学模型对催化膜微结构参数与膜反应过程条件进行了优化；项目同时研制出中空纤维透氢分子筛膜并开发出高效的一步制氢膜反应器。项目执行期间共发表学术论文19篇，其中在AIChE J，J Membr Sci，Chem Eng J，RSC Adv等国际期刊上发表SCI论文14篇，申请国家发明专利4件，已授权专利3件，申请国际PCT专利1件。项目培养中青年学术带头人1名，项目负责人于2012年度获得了国家优秀青年科学基金，并获得2012年中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖，2012年教育部高等学校科学研究优秀成果奖（技术发明奖）二等奖与2014年第十四届江苏青年科技奖暨江苏省十大青年科技之星，现担任《膜科学与技术》杂志编委。项目组成员参加国内外学术会议7次，大会邀请报告2次。项目培养研究生11人，其中在读博士生1名，毕业博士生5名，硕士生5名。