分子筛催化剂在生物质催化热解高温条件下的择形催化机制研究

Shape selectivity of zeolite catalysts plays a determining role in the reaction pathway and product distribution in catalytic fast pyrolysis (CFP) of biomass. Recent studies have suggested that the conventional method of evaluating shape selectivity of zeolites, i.e., comparing the crystallographically static pore size of zeolites to the kinetic diameter of molecules, cannot satisfactorily describe the experimental results of shape selectivity in CFP of biomass. We attributed this discrepancy to two main reasons: (1) static pore size of zeolites cannot reflect the pore structure alteration at high temperatures of CFP, and (2) the kinetic diameter, which assumes a molecule to be effectively spherical, cannot represent the real three dimensions of a molecule. Based on this analysis, we aim to investigate the shape selectivity of zeolites at high temperatures of CFP by combining quantum chemical computation and analytical pyrolysis techniques. Quantum chemical computation can provide necessary information on the size and conformation of molecules of pyrolysis products. The effective pore size of zeolites at high temperatures can then be determined by analyzing the molecular size and conversion behavior of the pyrolysis products in analytical CFP tests. This would offer a more realistic measure of the shape selectivity of zeolites at high temperatures of CFP. The results of this study will advance the scientific understanding of CFP of biomass, and provide information crucial to design zeolites of proper pore structure to improve the conversion efficiency of biomass in CFP.

分子筛催化剂的择形催化机制在生物质催化热解反应中对反应途径、产物分布等起着重要作用。最近的研究发现，传统的择形催化研究方法(即比较分子筛静态孔道直径与反应物、产物分子的动力学直径的方法)不能很好地解释生物质催化热解的择形催化实验结果。经过分析，我们认为这主要是以下两个原因引起的：(1)静态孔道直径不能反映分子筛在催化热解高温时的孔道变形；(2)动力学直径假设分子为球形，不能真实反映分子的三维尺寸。因此，本课题拟采用量子化学计算与分析裂解试验相结合的方法，研究分子筛在生物质催化热解高温条件下的择形催化机制。通过量子化学计算确定热解产物分子的三维尺寸；通过研究热解产物的分子尺寸及其在催化热解中的转化情况确定分子筛在高温时的有效孔道直径。

分子筛催化剂的择形催化机制在生物质催化热解反应中对反应途径、产物分布等起着重要作用。最近的研究发现，传统的择形催化研究方法(即比较分子筛静态孔道直径与反应物、产物分子的动力学直径的方法)不能很好地解释生物质催化热解的择形催化实验结果。经过分析，我们认为这主要是以下两个原因引起的：(1)静态孔道直径不能反映分子筛在催化热解高温时的孔道变形；(2)动力学直径假设分子为球形，不能真实反映分子的三维尺寸。因此，本课题拟采用量子化学计算与分析裂解试验相结合的方法，研究分子筛在生物质催化热解高温条件下的择形催化机制。通过量子化学计算确定热解产物分子的三维尺寸；通过研究热解产物的分子尺寸及其在催化热解中的转化情况确定分子筛在高温时的有效孔道直径。本项目采用对各种典型生物质为研究对象，研究分子筛孔道结构对生物质催化热解产率的影响。从生物质催化热解产物分子大小及沸石分子筛的高温形变情况两个方面，重点完善分子筛催化热解过程中的择形催化机理。对调节沸石分子筛的孔径结构，增加高附加值目标产品的选择性与产率，提高沸石分子筛催化剂的稳定性有重要的指导意义。项目资助发表核心论文1篇，待发表3篇。项目投入经费25万元，支出21.1862万元，各项支出基本与预算相符。剩余经费计划用于本项目研究后续支出。