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【大工技述】第109期:分子筛基环境友好催化技术

2022-08-25  点击:[]

分子筛是一种理想的适合于创造环境友好工艺的催化剂。能择形催化,提供超高级别的反应选择性,具有很高的活性中心密度,能产生较高的反应速率;可以再生,即使废弃也能与环境兼容。所以,分子筛基的催化剂被广泛应用于石油化工、煤化工、精细化工及环保领域。


刘家旭副教授负责的先进分子筛催化技术研发团队,专注于新催化剂、新表征技术和新工艺,通过对催化剂活性中心和孔道结构的耦合调控,开发出高性能工业催化剂。NH3选择性催化还原NOx(NH3-SCR)是目前最有应用前景的柴油车尾气净化技术,该技术的核心是开发具备优异催化性能的催化剂。尤其是满足国VI排放标准的高性能铜系小孔分子筛催化剂是解决柴油车尾气排放问题的核心,这一技术主要被欧美企业垄断。


大连理工大学刘家旭副教授及其团队经过五年基础研究,三年产业化研究,成功开发出替代催化剂,在一汽公司的4dd、4dh、4dk三个发动机平台和五十铃公司的vm2.5l发动机平台上实现产业化应用,其他车企正在进行工业验证实验。此外,团队开发出清洁合成双氧水工作液的催化技术,建成年产能2500吨的工业装置。


刘家旭副教授团队聚焦精细化学品清洁合成、电子级新材料、氮氧化物治理等催化剂及工艺技术研究,小试到中试及产业化示范应用。2021年7月,该团队研发的分子筛基环境友好催化技术在精细化学品清洁合成、电子级新材料合成及柴油车尾气无害化处理等产业化项目中实现了工业应用,技术许可合同总额达到2000万元。


   


01

揭示分子筛基催化剂的原位表征——双光束红外光谱技术


自主研制了全球首套适用于多相催化反应原位表征的双光束红外光谱技术,该技术通过参考光束和样品光束的实时差谱扣除仪器和样品变化以及热发射光谱和气相分子振动光谱的影响,从而获得真实反应状况下目标反应的活性中心及其与反应物和反应中间体作用的真实分子结构等催化剂表面动态信息。该技术对反应类型和反应条件的适应性强,能够获得结构-活性/选择性关联关系,为指导相关反应的新型高效催化剂研发提供技术基础。该技术成功突破了现有商品化红外光谱仪不能排除在原位表征中气相分子吸收光谱和热辐射光谱干扰的关键瓶颈,为理性设计多相催化剂奠定了基础。


团队对自主研发的柴油车尾气净化催化剂进行CO红外吸附实验发现,采用Cu(NO3)2水溶液离子交换法制备的Cu/SSZ-13催化剂上存在多种落位的Cu+活性中心;催化剂构效关系研究表明,具有一定量稳定存在的Cu+,并且拥有大量不稳定存在Cu2+的催化剂具有较宽温度范围的脱硝性能。


02

面向国家“卡脖子”难题,推出工业技术:电子级溴化氢吸附剂


高纯度电子气体是保证当今各种高性能电子器件质量的关键所在,高纯溴化氢在半导体生产和等离子刻蚀多晶硅方面有重要应用,属于“卡脖子”的电子级化学品之一。


高纯HBr电子气体中的水是重点控制的杂质组分,需要开发专有工艺及高性能吸水材料。吸附剂是吸附工艺的核心,而商品化的吸附材料均为欧美日企业垄断。开发自主知识产权,具有较高的净化度、较大的吸附量和较快的水吸收动力学的易于再生的高效吸附干燥材料对于微量水分的吸附脱除来说具有重要意义。


研发团队在前期纳米分子筛材料的产业化经验基础上,通过三年的不断努力,开发出性能优异的全结晶吸附材料,顺利产出合格的电子级HBr产品,应用于下游的半导体和多晶硅生产企业,年产值约为1亿元人民币。2021年7月,团队与天津绿菱电子新材料公司合作研发的国内首套年产100吨电子级溴化氢项目,一次性开车成功,顺利投产并产出合格产品。

老师简介

刘家旭,博士,副教授,博士生导师,硕士生导师。现任大连理工大学化工学院工业催化系副主任,辽宁省低碳资源高值化利用重点实验室副主任。主要从事沸石分子筛催化在能源、环境及精细化学品清洁制备等领域的应用基础研究和原位分子光谱表征技术开发。在ACS Catalysis, Chem. Eng. J.、Catal. Sci. Technol.、J. Phys. Chem. C、Micropor. Mesopor. Mater.、ACS Appl. Mater. Inter.、Fuel、J. Energ. Chem.等期刊发表 SCI论文30余篇。主持国家自然科学基金、大连市高端人才培养计划、中石油科技创新基金、大连理工大学优秀人才培养基金“星海优青”、企业研发项目等10余项,累计经费1000余万元。申请PCT国际专利1项,申请/授权中国发明专利10余项。


编者按:本文信息(包括文字和图片)为平台原创,版权归大连理工大学校友工作处所有,任何个人或组织使用本文信息请与我方取得联系授权,违者必究。联系方式:大连理工大学校友工作处 景博(0411-84706740)。


文字作者丨王薇

信息来源丨大连理工大学化工学院

编辑排版丨景博  刘禹廷

责任编辑丨景博  蔡琳

 

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