天津大學(xué)取得烷烴脫氫合金催化劑“一鍵篩選”重要進(jìn)展

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天津大學(xué)日前打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)“試錯(cuò)法”局限，取得了開(kāi)發(fā)重要化工催化材料的新進(jìn)展。該校新能源化工團(tuán)隊(duì)通過(guò)合金催化劑“孤立度”描述符的構(gòu)建，只需向程序輸入催化劑結(jié)構(gòu)參數(shù)，就能夠?qū)崿F(xiàn)烷烴脫氫催化劑“一鍵篩選”。

該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持，相關(guān)成果近日發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》。

圖為催化劑設(shè)計(jì)策略

丙烯是全球產(chǎn)量最高、應(yīng)用最廣的基礎(chǔ)化工原料之一，在工業(yè)生產(chǎn)中作用巨大。“丙烷脫氫法”是目前市場(chǎng)占有率增長(zhǎng)最快、最具前景的丙烯生產(chǎn)技術(shù)之一。然而，我國(guó)現(xiàn)有的“丙烷脫氫”工藝主要依賴(lài)高價(jià)進(jìn)口的成熟工藝包，作為工藝核心的催化劑被發(fā)達(dá)國(guó)家牢牢把持。缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的丙烷脫氫催化劑成為國(guó)內(nèi)化工業(yè)的短板弱項(xiàng)。

圖為烷烴脫氫催化劑

傳統(tǒng)丙烯生產(chǎn)工藝采用實(shí)驗(yàn)“試錯(cuò)法”研發(fā)催化劑，往往需要數(shù)月甚至數(shù)年時(shí)間，消耗大量人力物力財(cái)力。通常，采用“試錯(cuò)法”得到的催化劑結(jié)構(gòu)、組成較為復(fù)雜，導(dǎo)致催化劑-反應(yīng)性能的構(gòu)效關(guān)系難以明確，這也成為催化劑開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的“屏障”。

天津大學(xué)新能源化工團(tuán)隊(duì)以“實(shí)踐論”為指導(dǎo)，提出了“催化微環(huán)境預(yù)測(cè)催化性能”的方法。他們創(chuàng)新算法，借助計(jì)算機(jī)程序發(fā)現(xiàn)了烷烴脫氫“單位點(diǎn)”合金催化劑的設(shè)計(jì)新途徑，即只需獲得催化劑的電子、幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)“孤立度”，就能描述出烯烴選擇性等性能，從而加速遴選性能優(yōu)異的催化劑材料。基于該方法，研發(fā)的新型鉑基催化劑貴金屬用量降低超60%，可大幅度節(jié)約生產(chǎn)成本，提升了催化劑市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。實(shí)驗(yàn)證明，新型催化劑的丙烯選擇性顯著優(yōu)于國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品，且在長(zhǎng)程穩(wěn)定性和再生循環(huán)測(cè)試中均保持穩(wěn)定。

近年來(lái)，天津大學(xué)新能源化工團(tuán)隊(duì)探索形成了“催化劑理性設(shè)計(jì)—精準(zhǔn)構(gòu)筑—應(yīng)用引領(lǐng)”的研究范例，建立了相對(duì)完整的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型高效丙烷脫氫催化劑的專(zhuān)利體系。“我們正在與行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)合作開(kāi)展催化劑工程制備與工藝放大研究，實(shí)現(xiàn)了新型丙烷脫氫成型催化劑的工程制備，加速突破國(guó)外催化劑技術(shù)壟斷。”據(jù)該論文第一作者、天津大學(xué)化工學(xué)院博士生常鑫介紹，“這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是化工、化學(xué)、材料、物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科交叉的結(jié)果，可能會(huì)為相關(guān)領(lǐng)域催化劑設(shè)計(jì)和催化過(guò)程解析提供新思路，對(duì)加快工業(yè)催化劑創(chuàng)新開(kāi)發(fā)具有重要意義。”

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