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研发低碳技术 推进节能减排——能源化工专家储伟教授

2017-03-21

 在全球气候变化和极端气候事件越来越多的严峻形势面前,包括中国在内的世界大国和发达国家都在采取积极措施对温室效应进行有效控制。同时,由于发展过程中越来越显著的能源安全和环境质量问题,对环境保护催化材料、高效节能降耗技术、可持续新能源技术、大气污染治理和碳资源循环利用等方面的研究开发成为国家重大需求的新技术和新材料的关键和核心之一。四川大学化工学院储伟教授心系环境保护和新能源技术,利用自己的专业知识投身祖国新能源材料和环保催化事业,积极从事研究开发二十余年,凭着自己和团队的勤奋、好学和执著,作出了积极的贡献,并取得多项研究成果。

一、低碳技术的创新研发

储教授团队为了减排研究出一条新的技术路线,每处理100吨二氧化碳可以产生2027吨优质纳米活性碳和碳纤维;可以作为二氧化碳捕集利用封存(CCUS)众多技术中新增加的一种补充技术。该技术在成本方面具有一定的经济优势:每处理100吨二氧化碳,在除去主要消耗后还可以产生12万元(优质活性碳)到120万元(碳纤维)的经济效益。如果将该技术放大应用到处理10万吨二氧化碳,可以产生1.2亿元12亿元的产值。我国的二氧化碳排放量达到每年70亿吨以上,可作为丰富资源进行回收利用;可部分代替油气和煤的利用。因此该创新技术的初步成果值得进行强化研发、升级换代和示范推广应用。

储伟团队研发创新的技术,以二氧化碳为原料来廉价制备纳米碳纤维材料,既减少了温室气体排放,同时又能在低能耗和低成本下生产高附加值碳纤维材料,具有广阔的应用前景,目前已经与企业形成合作进行中试和进一步推广应用的探索。

二、纳米功能材料研究和催化剂强化制备

早在1998年,储伟和团队就开始应用辉光放电等离子体技术对强化催化剂制备进行研究。他把等离子体技术创新地应用在费托合成制清洁油品的高效催化剂以及减排二氧化碳催化转化用催化剂等方面,取得了显著效果。目前带领研发团队积极开展石墨烯基和多种纳米碳材料基超级电容器等新型高效储能材料和器件的研究,已有优良结果。

在此领域,储伟领导研究团队的主要工作成绩还有:(1)等离子体特殊场等高端技术强化的纳米催化材料的可控制备和构效关系的研究;(2)非石油路线的清洁燃料(汽油、柴油、含氧化合物、氢能等)和化学品(烯烃,芳烃)的高效合成;(3)催化燃烧节能和温室气体(CO2,NOx)催化控制和治理的高新技术;(4)燃料电池用氢能的催化制备和储存的技术和材料;(5)高比表面廉价碳材料等吸附材料的研制和对多种气体的高效的节能的分离技术;(6)高性能薄膜材料的研制和催化应用;(7)减排二氧化碳温室气体的催化捕获和处置、催化转化过程和经济可行的CCUS高新技术的研究开发;(8)介孔分子筛等固体酸催化剂的研制和环境友好的绿色化工催化过程的研究;(9)储能材料和催化过程的密度泛函分子模拟研究和预测;(10)聚四氢呋喃合成用担载杂多酸催化的研制和催化聚合过程的研究等。

在进行科研的过程中,储伟重视理论与实践的结合。在30年的科学研究开发基础上,他主持研发的多项成果已实现了从理论研究到中试生产的转化,例如分子筛TS-1催化丙烯环氧化制环氧丙烷,异丁烯催化氢甲酰化制异戊醛催化剂和新工艺等多个研发工作实现了成功应用;产生了良好的效益,为人们的生产生活提供了便利。纳米技术正处于快速发展的时期,要使纳米技术真正得到大规模应用,需要发挥团队的力量,也需要国内外的科技合作和交流。储伟研究组与法国同行专家合作完成的《合成气高效转化制清洁燃料用钴基催化剂的制备和表征》一文刊发于2007年5月的Chemical Reviews,发表9年来已经被SCI引用760余次。

三、化工尾气VOCx深度控制催化燃烧净化技术研发

开发新型高效催化剂和经济有效的挥发性有机化合物的催化燃烧处理技术已成为解决有机污染的重要课题。目前对这项技术的研究还不够深入,有些催化剂的研究仍处于实验室阶段。为此,储伟教授带领团队着重开展以下几方面的研究:对于芳烃类、醇类、醛类挥发性有机物,研制多种活性好、稳定性高、抗毒能力强的非贵金属基复合催化剂;降低起燃温度,研制低温催化燃烧催化剂,易于产业化应用。另外,金属基结构化催化剂在催化燃烧中表现出良好的活性和稳定性,系统进行金属基结构化催化剂在挥发性有机化合物废气中的催化作用研究,为其产业化应用提供基础。

(一)芳烃催化燃烧消除用非贵金属基高效催化剂的研制和调控

甲苯、二甲苯常被用作溶剂,它们对中枢神经系统有毒害作用。苯是很多工业化学品的起始原料,用途广泛,但却具有致癌性。苯系物还与大气光化学烟雾、气溶胶的形成有着密切联系。目前常用的芳烃类催化燃烧催化剂主要有贵金属催化剂和氧化物催化剂等。该项目主要研究芳烃催化燃烧消除用非贵金属基高效催化剂的研制和调控。

载体的选择:载体的主要作用是承载活性组分和助催化剂,增大表面积,但在一定条件下,载体与活性组分之间可以发生化学反应,导致具有催化性能的新的表面物种形成。常用的载体多为氧化铝、氧化硅、活性炭、二氧化钛和新型结构型载体等。活性组分的选择和含量的优化:催化剂中的活性组分是催化燃烧反应中最关键的部分。它具有提高反应速率、降低反应温度、减少反应器体积的作用。钯、铂、钌贵金属基催化剂具有良好的催化氧化性能,但价格昂贵;过渡金属氧化物也经常用作催化氧化催化剂的活性组分,例如钛、钒、锰、铁、钴、镍、锌、铜的氧化物等。

助催化剂的选择:助催化剂对于反应没有活性或者活性很小,但其加入到催化剂中后却能提高催化剂的活性、选择性和稳定性。助催化剂可分为结构性和调变性两类。调变形助催化剂改变活性组分的化学组成,增加催化剂的化学吸附性能,降低反应活化能。

催化剂的制备方法:常用的方法有共沉淀法、浸渍法、溶胶凝胶法等。研究甲苯和二甲苯在CuY和PdY等担载型催化剂上的性能;采用H2预处理的作用研究;反应温度、空速和水蒸汽的引入对催化剂活性的影响规律研究。采用等离子体强化法进行催化剂优化制备。

(二)醇类催化燃烧消除用金属基高效催化剂的研制和工艺优化

采用尿素或氨水作为调节pH值的沉淀剂,以硝酸镧、硝酸铝和硝酸钴为原料,原位生长催化剂前体。同时对表面活性剂种类及用量、前驱物种类及用量,制备pH、制备温度、搅拌速率、前驱物溶液的滴加速度等各主要因素的影响进行研究,通过试验制备几种新型载体和催化剂材料。在流动固定床催化燃烧反应器中研究新型催化剂和工艺的影响规律,考察原料配比、氧气分压、反应温度、原料空速等对新型催化剂反应性能的作用规律。获得低温高活性的催化剂和优化的工艺条件。

(三)芳烃催化消除用高效催化剂在反应中的“构效关系”研究

针对新型载体担载的金属基催化剂在不同反应温度、原料甲苯与氧气的几种配比等实验条件下进行催化消除性能的评价和对比分析,探究最优工艺参数。然后根据实验结果确定金属催化剂中活性组分和载体的相互作用、金属种类、含量及分散度对其催化性能的相关性。采用红外光谱、程序升温技术表征(TPR,TPD,TPSR)等技术研究纳米复合金属催化剂的结构和性质变化。由物理化学表征结果与催化剂的反应活性和选择性进行关联讨论,计算反应的活化能和讨论新型催化剂的优化调控。

(四)堇青石整体式载体担载高效涂层催化剂的研制和VOCx催化消除应用

以堇青石为整体式载体,担载涂层催化剂进行制备和研究;对应用于挥发性有机化合物VOCx催化消除的反应进行研究。优化制备条件;研究新型催化剂在几个反应温度、原料甲苯与氧气的几种配比和多个空速等实验条件下进行VOCx催化消除的性能评价和对比分析,获得低温高活性和高稳定性。

科学研究和产业化应用的道路是永无止境的,四川大学储伟教授已经在能源化工纳米材料和环境催化技术研究方面取得了初步的成就。如今,储教授和团队骨干的科学研究和研发应用的旅程正扬起风帆,以饱满的精神和充沛的动力,向我国重大需求的新能源和环境保护用纳米材料和节能减排的目标奋进。

专家简介

储伟,二级教授,博士生导师,国家新世纪优秀人才(2005年),四川省学术与技术带头人,国家973计划重大项目课题负责人。1984年毕业于南京大学,1991年获法国博士学位;1995年经中国科学院特批晋升研究员来成都分院;2001年作为重点优秀人才引进四川大学。已从事科研开发30年,曾在世界500强SABIC公司和德国TUM、法国、美国IUPUI、日本、新加坡和中国科学院等著名大学或研究机构任职。先后承担国家(9项)、省部级和其他科研攻关项目20余项,已指导和培养硕博士研究生80余名。多项研发成果实现了中试应用有明显效益。发表SCI论文210余篇,EI收录160 余篇。任J. Energy Chem. 编委,J. Nat. Gas Chem.编委,American Journal of Applied Chemistry编委,American Journal of Environmental Protection 编委,《纳米科技》《天然气化工》和《工业催化》编委。获得四川省科技进步二等奖两项(2004和2008年);2008年获“中国石油与化学工业青年科技突出贡献奖”;2013年12月份获得国际 ENI Award环境保护大奖提名。主要研究方向为能源化工催化材料、清洁能源、新能源材料和器件、环境催化、CCUS、低碳技术、纳米功能材料、密度泛函模拟计算化学、特殊场技术和等离子体化工、可控制备和强化机制、有机催化等。连续入选国际Elsevier 2014 和2015中国高被引学者榜单。