西安交通大学：《催化原理》课程教学课件（讲稿）催化过程中应用的几种耦合技术

本章内容实现高效率、零排放的绿色化学工业生产过程需要通过多种(耦合)反应和分离过程的联合才能达到自的。催化与膜技催化与超临界催化作用中23术的耦合流体的耦合的能量耦合本章重点与难点福RMHEERHLO参考教材：催化作用基础现代化学基础丛书2：催化作用基础（第3版）邮甄开吉，王国甲，毕颖丽，李荣生，秋斌著科学出版社2

催化与膜技 术的耦合 实现高效率、零排放的绿色化学工业生产过程，需要通过多种 反应和分离过程的联合（耦合）才能达到目的。 催化与超临界 流体的耦合 催化作用中 1 2 3 的能量耦合 本章内容 2 参考教材： 现代化学基础丛书2：催化作用基础（第3版） 甄开吉，王国甲，毕颖丽，李荣生，阚秋斌 著 科学出版社 ◆本章重点与难点

西安交通大学《催化原理》XIANJIAOTONGUNIVERSITY1.催化与膜技术的耦合3

1. 催化与膜技术的耦合 《催化原理》 3

膜技术简介YOUKU膜是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有清一层薄的凝聚相有何基本特性？须有两个界面Maxd利横猪我们日常饮用的淡水非常稀少口具有选择透过性A

4 膜(Membrane)是什么？ 膜技术简介 膜是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有 一层薄的凝聚相 有何基本特性？  须有两个界面  具有选择透过性

膜的分类膜可分为高分子有机膜（如纤维素、聚砜类等）和无机膜无机膜分类多孔膜致密膜1固体氧化物膜纳滤膜、分子筛膜金属膜微滤膜超滤膜钙钛矿型氧化物孔径50nmPd,Ag,合金2<孔径<50nm应用领域应用领域膜反应器液体和气体分离、气体分离、膜反应器无机膜具有耐热性好、化学稳定性好、机械强度大、不易污染等优点5

膜的分类 无机膜分类 多孔膜 致密膜 微滤膜 孔径>50nm 超滤膜 2< 孔径< 50nm 纳滤膜、分子筛膜 孔径<2 nm 金属膜 Pd, Ag, 合金 固体氧化物膜 钙钛矿型氧化物 应用领域 应用领域 液体和气体分离、膜反应器 气体分离、膜反应器 5 膜可分为高分子有机膜（如纤维素、聚砜类等）和无机膜 无机膜具有耐热性好、化学稳定性好、机械强度大、不易污染等优点

膜的分类实验室常用的膜有哪些呢？滤膜、质子交换膜、碳膜铜网、保鲜膜、封口膜交通大薄膜样品等6

膜的分类 6 实验室常用的膜有哪些呢？ 滤膜、质子交换膜、碳膜铜网、保鲜膜、封口膜、 薄膜样品等

几种重要无机膜内部的迁移机理固体电解质膜内的迁移机理金属膜内的迁移机理9Hz029HzO2O吸附QH88吸附0H0022e"HtQ0O0原子H原子 HOC脱附原子形态H原子形态O8FO脱附1O6O2H2OO2OH, (b)(a)(b)(a)银合金膜氧导体钯合金膜质子导体金属合金膜固体电解质膜（ZrO2，CeO2)O，选择性透过H,选择性透过原子态的吸附物种在膜体上离子化1

几种重要无机膜内部的迁移机理 7 金属膜内的迁移机理 银合金膜 钯合金膜 O2选择性透过 H2选择性透过 固体电解质膜内的迁移机理 氧导体 质子导体 原子态的吸附物种在膜体上离子化 金属合金膜 固体电解质膜 (ZrO2 , CeO2 ) O原子 H原子 原子形态 原子形态

几种重要无机膜内部的迁移机理多孔膜内的迁移机理-努森扩散黏滞扩散分子同孔壁碰撞>分子间碰撞膜孔径>分子平均自由程.00088o06800c多层扩散表面扩散多层吸附种分子吸附在孔壁e30%C分子筛o毛细管凝聚微孔分子筛很搭m孔道孔分子筛（子59分两）哪大孔分子筛（>50nm）8

几种重要无机膜内部的迁移机理 多孔膜内的迁移机理 8 黏滞扩散 努森扩散 表面扩散 多层扩散 毛细管凝聚 分子筛 微孔分子筛（根据不同孔道大小，分子筛分为哪几类？ 50 nm) 膜孔径>分子平均自由程 一种分子吸附在孔壁 多层吸附 分子同孔壁碰撞>分子间碰撞

膜同催化剂的组合类型组合1：膜与催化剂分开作为分立的组成部分，质子交换膜电极1cm催化剂N2 + 3H20 → 2NH3 + 1.502阳极阴极半导体吸光产生光生载流子电场强化电子/空穴分离静态间歇反应用于光电催化合成氢的H型反应器示意图

膜同催化剂的组合类型 9 组合1：作为分立的组成部分，膜与催化剂分开 静态间歇反应 催化剂 用于光电催化合成氨的H型反应器示意图 质子交换膜 电极 阳极 阴极 N2 + 3H2O → 2NH3 + 1.5O2 ◆半导体吸光产生光生载流子 ◆电场强化电子/空穴分离

膜同催化剂的组合类型组合2：将催化剂装在管状膜反应器中，或将具有催化剂制成膜*5cm放天]成膜不均匀传统成膜技术核心问题s催化剂负载量低Dre0.25cm2cm仅为25cm2成膜不稳定Adv.Mater.2018Angew.2016,55(31)Nat. Catal.2021, 4(7)30(28)-2018202220162020.--120100(4BJoww)HN氨绝对产量解决思路80提高约100倍01cm2025cm220100cm1cm2电极25cm2电极100cm2电极超声喷涂大面积成膜技术口开发一种适用于工业示范应用的大面积催化剂成膜方法10

膜同催化剂的组合类型 组合2：将催化剂装在管状膜反应器中，或将具有催化剂制成膜 2016 2020 2022 Adv. Mater. 2018, 30(28) 0.25 cm2 Angew. 2016, 55(31) 1 cm2 2018 成膜不均匀 催化剂负载量低 核 心 问 题 解 决 思 路  开发一种适用于工业示范应用的大面积催化剂成膜方法 仅为25cm2 成膜不稳定 Nat. Catal. 2021, 4(7) 超声喷涂大面积成膜技术 传统成膜技术 放大 1 cm2 25 cm2 100 cm2 仅为25cm2 10

膜同催化剂的组合类型组合3：将具有催化性能的组分负载在膜载体上(a)ThioureaFe/Zn-ZIFAlAr/NHs1000°℃900°℃Fe/Zn-ZIFs/thiourea/PANmembraneFe/SNCFs-ArFe/SNCFs-NH多孔碳膜负载Fe单原子催化剂(b)(d)-Fefollo.2T-Fe,0,*0.6Fe-F0.96-FesFe/SNCFs-NHSA(-)1(00X)0.92Fo-N(O)089Fe/SNCFs-NH,0.84-Fe/NCFs-NH,-PUC-0.30.30.00.60.9R (A)logJ,(mAcm2)ORR的塔菲尔斜率为70.82mVdec-1，显著优于Pt/C催化剂Adv.Mater.2022.34.210541011

膜同催化剂的组合类型 组合3：将具有催化性能的组分负载在膜载体上 Adv. Mater. 2022, 34, 2105410 11 ORR的塔菲尔斜率为70.82 mV dec-1，显著优于Pt/C催化剂 多孔碳膜负载Fe单原子催化剂