具有高度对称性的甲烷分子重点

1、项目名称：天然气及合成气高效催化转化的基础研究首席科学家：包信和起止年限：2005.12 至 2010.11依托部门：中国科学院、研究内容总体设想本项目主要研究甲烷（组成天然气的主要成分）的高效活化 和定向转化、由天然气或煤制备得到的合成气 （C02和出）的选 择转化及其催化科学和技术发展涉及的重要基础问题。关键科学 问题集中在：高对称性分子（如甲烷等）中碳氢键（C-H）的控 制活化和选择转化规律、合成气转化的费 -托过程的控制规律和产 物分布的调控机理、催化反应的偶合机理和工艺、结构导向的催 化剂制备科学和技术、催化反应中间体的捕获、鉴定和催化过程 的原位、动态表征等。拟解决的关键科学问题具

2、有高度对称性的甲烷分子是自然界中最为稳定的有机分子 之一，它的活化和转化需要相当苛刻的条件。研究表明，甲烷选 择氧化最关键的问题不仅仅是活化，更重要的是对生成的较活泼 产物进一步氧化的有效抑制。从基础研究的角度看，目前人们对 甲烷和烷烃活化和转化的催化活性位结构、活性位作用机理、活 性氧物种、反应中间体及其转化动态学等科学问题的认识深度还 不够，远未达到能够控制活化和选择转化的要求。因此甲烷和低 碳烷烃的选择氧化被看作是 C-H 键活化的 “圣杯”，被公认为催化 乃至整个化学研究领域最具挑战性的研究方向之一。 1997 年，美 国化学会联合 4 家相关协会在所撰 写的“2020催化前瞻报 告”

3、（Vision2020 Catalysis Report）中将烷烃活化和选择氧化列在 “催化研究路线图 技术目标 ”（ ” Roadmapfor Research on CatalysisTechnical Targets ）”的前两位。合成气催化转化机理的 基本科学问题，如CO的吸附活化模式、控制链引发、链增长（C-C 键的形成）和链终止（产物形成）的关键因素等仍然不明确或尚 存在争议，亟待深入研究。同时这些问题又与催化剂中的各组分， 包括活性金属、载体以及助剂的作用的本质密切相关。具体而言， 活性金属粒子的类型、尺寸、分散度、可还原性对反应性能的影响，载体的孔道效应（限域效应、择形效应等）

4、 ，和助剂的促进作 用等都与上述有关反应机理的问题相关。这些因素对反应机理中 的具体步骤产生影响， 从而影响反应活性以及产物的类型和分布。 因此这些问题的解决对于合理解释合成气催化转化过程的复杂影 响因素和可控产物分布的高效催化剂的设计、研制具有重要的指 导意义。众多的研究结果表明，催化材料的构筑，包括活性组分 的分散程度、活性中心结构、微环境、落位、载体的孔道结构等， 能极大地影响其在甲烷和合成气转化反应中的活性和选择性。例 如，最近的研究发现， 催化材料中钴颗粒的大小不仅明显改变 F-T 合成反应的活性而且改变产物选择性。 粒子大小有可能对链增长、 链终止等基元反应步骤产生影响。如限域在分

5、子筛孔道中的 1.3 nm 的钴的不仅反应活性高且不生成 C20 以上产物，相反 10 nm 的 钴的 C20 以上产物占 20%。从反应机理层次上看，针对催化材料 中活性中心结构及其所处环境是如何影响反应的基元步骤、主导 反应途径并进而控制反应的活性和选择性的研究还不成熟。要开 展该方面的深入研究，首先必须建立可控活性位结构、活性相大 小和微环境的催化材料的制备方法。综上所述，本项目着重针对 下述问题进行研究。（1）基于纳米科学和技术的结构导向新催化材料的制备 新催化过程和新催化材料的发展始终是催化科学和技术发展 的基础和重要驱动力。甲烷和低碳烷烃催化转化中涉及到高温反 应和选择性受热力学限

6、制等问题。这些难题的解决必须依靠新过 程的发展和新材料的创新。近年来，纳米技术以及纳米粒子独特 的物理和化学特性引起了广泛的重视，在各个不同领域中涉及到 “纳米”的研究得到了非常迅速的发展。事实上，催化研究在它的 一开始就广泛涉及到纳米尺度问题。人们很早就已经发现，催化 反应往往不能在整体（ Bulk ）金属表面发生，而催化问题也不是 一个单分子或单原子问题。早期的概念认为，催化作用的活性单 元是几个或多个原子组成的原子簇的集合。另一方面，在现今使 用的催化剂担体中，具有规整孔结构的分子筛占有了非常重要的 位臵。这种分子筛根据原料配比和合成方法的不同，其有效孔径 可以从十分之几 nm 到几十甚

7、至几百 nm 之间调变。在这些具有特 定结构的纳米孔道中发生的催化反应具有非常独特的特性，如区 位选择性、分子择形性等。随着近年来人们对纳米粒子特性认识 的加深以及相关学科的发展，催化研究工作者敏锐地认识到，纳 米技术以及纳米概念与催化的结合将是催化科学与技术发展的一 个巨大机遇。现在人们已清楚地认识到，催化中的纳米粒子与体 相金属相比，除了有较大的暴露表面和不同的原子结构组合外， 在电子和分子轨道性质上还应该存在着由于粒子尺寸直径降低而 产生的量子效应。这一概念将在认识催化原理、发展催化理论乃 至开发新催化剂中发挥重要的作用。为此，本项目将针对甲烷活 化的高温反应特性和合成气转化的高选择性的

8、特点，投入足够的 力量研究开发包括纳米负载的强酸性催化材料、高温催化材料、 多孔催化材料以及膜分离和膜催化材料等在内的新技术。(2) 甲烷和合成气转化过程的原位表征及动态反应理论 催化活性中心是具有活性的原子、 分子或由其组成的集合体。反应过程中催化剂活性集团的动态变化是对催化反应至关重要 的。然而，目前新催化剂的创制主要还是依靠经验对大量催化材 料进行筛选。而且依据静态研究结果建立的催化理论很难正确地 指导催化剂设计。因此，从原子、分子水平上了解催化反应机理， 特别是探讨催化反应途径中生成的反应中间体的结构及其转化动 态学，以及催化剂的特性与催化剂的结构和组成的内在联系，显 得十分重要。 这

9、就必须注重应用和发展能够在催化过程发生的 “现 场条件 ”下起作用、并具有 “时间分辨 ”功能的表征手段和动态理 论，为开发新催化剂和改良现有催化剂提供更深刻的理论认识。 它们包括：发展和完善毫秒、微秒量级的结构灵敏的表征手段， 测定反应条件下催化剂和中间体的结构随反应进程的变化，实现 真实催化过程二维或三维特性的现场表征，尤其是催化中间态的 结构和反应动力学，并充分利用我国已发展的同步幅射装臵，进 行催化剂结构的 XAFS 分析，以发展和完善甲烷等小分子催化活 化的动态反应理论。(3) 催化反应过程的理论模拟和反应动力学描述催化科学的进展不仅取决于新催化材料研制和新实验技术的 应用，还需要借

10、助以量子化学为主的理论方法，解释和分析实验 结果，进而阐明催化作用的本质。近年来理论化学的快速发展以 及可用于大规模计算的超级计算机的应用，使得较精确地处理复 杂的催化体系成为可能。针对低碳烃优化利用的若干前沿问题， 我们将采用以量子化学为主的理论方法，结合分子动力学( MD ) 和 Monte Carlo 模拟手段， 发展和完善簇模型方法， 着重对低碳烃 分子在有关催化剂体系和特定氧物种上的活化方式、转化途径以 及非变价稀土等重元素氧化物上活性氧物种形成机理、稳定性和 反应性能进行理论模拟；研究 F-T 合成中链的引发、增长和终止 过程，考察活性金属、载体和助剂中有关因素对反应机理和产物 分

11、布的影响 ; 关联均相、多相催化体系与理论模拟的研究结果， 逐 步建立低碳烃 C-H 键活化以及 F-T 合成碳链增长的理论模型，在 分子层次上构思和设计高效的可调变的新催化材料。基于动力学的方法，结合催化反应动力学实验，求算基元反 应速率常数和反应的扩散系数；描述反应过程、催化剂颗粒传递 特征以及反应过程放大特性，实现由实验室数据到工业规模的放 大；总结和分析所获得的实验和理论数据，建立并完善涵盖一些 重要催化体系结构和物化参数的数据库，为新型催化剂的研制提 供经验和理论基础。主要研究内容1999年立项的 “ 973”天“然气、煤层气优化利用的催化基础 ”经 近10个国内优势单位和近百名科研

12、人员的共同努力，在天然气直 接转化、合成气制液体燃料和化学品以及催化基础理论等方面取 得了显著进展，得到了新近由科技部 “973专”家顾问组组成的结题 专家们的高度评价。本项目在已有成果的基础上，进一步凝炼研究目标，瞄准国 民经济发展的重大需求和本学科发展的国际前沿科学问题进行深入系统的研究。主要研究内容包括天然气制备合成气及大规模制 氢和C02捕获基于合成气和天然气燃料的高温燃料电池、合成气的高效转化、天然气直接转化等过程的催化基础科学问题。1. 甲烷直接高效转化基于国内外的研究现状和对不同过程的经济评估结果的分析，结合我国国情和已结题的“973”目研究成果，本项目确定的甲烷直接催化转化研究

13、战略为：1.1. 采用绝热和氧分布器技术的甲烷部分氧化反应努力完善已有较好积累并可能在近年内产生巨大经济效益的 采用绝热和氧分布器技术的甲烷部分氧化反应 制备廉价合成气过 程。在充分研究和认识催化剂活性位和反应机理的基础上，着重 解决该过程中存在的催化材料咼温反应条件下不稳定和催化剂积 炭失活等关键问题，从而克服进行大规模工业化所面临的障碍， 与膜分离工艺集成，解决 大规模制氢以及C02捕获和处理中的关 键基础问题；12甲烷氧化偶联与无氧芳构化在热力学和动力学上的耦合在现有成果的基础上，深入研究由我国科学家自行开发的甲烷无氧 活化制芳烃新催化剂体系和具有重要理论和应用意义的甲烷氧化 偶联制乙烯

14、过程，着重于对无氧芳构化与氧化偶联反应在热力学和 动力学上的耦合 研究，从理论上确立和完善耦合过程的科学基础， 发展具有自主知识产权的甲烷高效转化的新过程，争取五年内通过 模试，使该过程中芳烃单程产率达到有经济价值的15%以上的水平；1.3.非常规条件下甲烷直接高效活化转化探索非常规条件下甲烷直接高效活化转化 新理论、新方法和新 过程，前期工作主要集中在甲烷低温等离子活化制高碳烃和甲烷金 属酶催化转化制含氧化合物以及熔盐和离子液体等介质存在下的 甲烷活化转化过程；14发展基于天然气或合成气燃料的高温燃料电池发展基于天然气或合成气燃料的 高温燃料电池，实现天然气的 高效利用。通过抗积碳固体氧化物

15、燃料电池催化材料和管型固体氧 化物燃料电池催化膜电极制备技术的研究，形成固体氧化物燃料电 池发电系统的关键材料和关键部件的技术基础和固体氧化物燃料 电池系统集成的核心技术，为开发分布式电站和先进能源系统提供 理论基础和技术手段。2. 合成气高效转化从经济角度考虑，今后的一段时间内，以甲烷部分取代石油 作为化学工业原料和燃料首选的有效途径将是通过制取合成气(C0+H2)再进一步转化的间接方法，而且合成气还能方便地从 煤炭经气化制得。因此，合成气高效、定向转化将成为一个适合 国情而又非常迫切需要解决的问题，取得的成果亦将促进我国基 于煤气化的多联产系统的发展。在已结题的“973”目在合成气超临界方

16、法制甲醇和合成气经二甲醚制低碳烯烃的基础上，本项目 研究主要集中在从合成气出发：2.1. 直接合成高品质液体燃料研制咼活性、咼选择性的双功能和多功能金属催化剂体系， 运用先进的反应工程技术，制备无硫、无芳烃和重金属的高品质 柴油，并在获取大量动力学数据的基础上，完成反应过程的软件 包。研究工作的重点将集中在 Co基催化剂体系、多孔材料载体和 浆态床技术，着力于解决降低合成过程中生产甲烷的选择性和产 物碳数分布的调控等问题，力争在该领域形成有自主知识产权的 技术和工艺过程；2.2. 直接转化制乙醇和其它含氧化合物这是一个非常有竞争力的课题。除了众多复杂的工程问题以 外，相关过程能否走向工业化要解

17、决的关键科学问题是调变和研制 催化剂体系，发展新一代催化剂，提高过程的选择性。这些问题的 最终解决依赖于从理论上对这些转化过程的完整了解。基础研究将针对上述过程，提炼和聚焦共性的关键科学问题，发 展催化研究方法，促进催化理论，特别是 C-H活化和高温催化理 论的发展。、预期目标总体目标和五年的预期目标本项目的总体目标是：通过以催化为核心的科学和技术的创 新，将天然气和合成气高效就地转化为高值和便于输运的高品质 液体燃料和化学品，并努力将成果推广到煤转化的相关过程。在 天然气绝热过程制廉价合成气、基于膜分离的大规模制氢集成技 术、合成气制乙醇和低碳混合醇过程和甲烷无氧芳构化与氧化偶 联耦合技术等

18、方面取得国际领先的技术并形成自主知识产权；在 甲烷等低碳烷烃的碳氢键活化理论、费-托合成的产物调控机理和 催化反应的原位、动态表征方法等方面获得突破，并得到国际同 行的认可；在该研究相关的领域形成在国际上有重要影响并得到 国际公认的研究团队。预计达到的分阶段主要目标有：近期（二年内），在现有知识积累的基础上，针对天然气经合 成气间接转化的造气 龙头”开拓采用空气作为氧化剂，将天然 气部分氧化制合成气的反应分离一体化的崭新过程，完成工业放 大前期工作；注重解决合成气的高效转化中涉及的定向转化的科 学问题，逐步完成高效制高品质柴油和直接合成含氧化合物等过 程的基础性试验，并通过实验室小试验证；在已

19、有成果的基础上， 完成甲烷无氧芳构化和氧化偶联过程耦合的概念验证和初步试 验；中期（五年内），以天然气和合成气的高效催化转化为目标， 以新催化材料的创制和新催化过程的开拓为主要手段，实现甲烷 和合成气的直接催化转化制芳烃、高碳烃与含氧化合物的一系列 催化新过程；突破天然气大规模高效制氢、C02处理和高温燃料电池的关键科学和技术问题，完成实验室小试；结合上述目标的 完成，从理论和实践上发展并完善催化过程的原位实时表征技术和相关的动态催化理论，创新高温催化技术和催化偶合技术，从 整体上带动和促进催化学科的发展和进步。具体包括：1. 完成天然气在绝热条件下空气部分氧化制备廉价合成气的工业 性试验，并

20、形成技术软件包；基于膜分离制氢最大规模达 200M3/h，过程的甲烷转化率大于96%，能量转换效率高于70，氢气纯度高于 99.99%,其中， CO 含量小于 1ppm；2. 阐明 CO 加氢合成烃选择性控制与催化剂组成、结构和工艺条 件的内在联系，并以反应网络表示基元反应进行的可能性，以 催化剂参数和动力学参数来描述基元反应进行的程度。在此基 础上开发出较好的重质烃、柴油馏分催化剂，在立升级装臵上 进行催化剂的 1000 小时寿命实验，实现催化剂的基本定型；3. 解决从天然气经合成气制燃料乙醇的工业化生产所面临的主要 关键技术问题，着重研究开发贵金属利用效率最大化和最低运 行成本最小化相结合

21、的催化剂研究开发；改善强放热反应的移 热方式，进行适合该反应条件的浆态床反应工艺和变径固定床 反应工艺的研究开发，提高催化剂选择性完成相关过程的工业 化试验，并形成技术软件包；4. 通过实现抗积碳固体氧化物燃料电池催化材料和管型固体氧化 物燃料电池催化膜电极制备技术的突破，形成固体氧化物燃料 电池发电系统的关键材料和关键部件的技术基础；研制 1-5kW 管式固体氧化物燃料电池发电系统，形成固体氧化物燃料电池 系统集成的核心技术；5. 完成甲烷无氧芳构化和氧化偶联的系统耦合研究，认识耦合过 程的热力学和动力学基本规律，实现催化反应过程产品收率高 于 15%的经济运行指标， 形成具有创新性和自主知

22、识产权的甲 烷活化转化过程；6. 实现在甲烷等轻烷的碳氢键活化理论、 费-托合成的产物调控机 理和催化反应的原位、动态表征方法等方面的突破，并得到国 际同行的认可；在该研究的相关领域形成在国际上有重要影响 并得到国际公认的研究队伍。研究成果发表SCI论文不少于400篇，申报专利大于80件, 并争取出版专著介绍研究成果。三、研究方案总体研究方案天然气和由天然气或煤制得的合成气的高效转化长期以来一 直是能源和化学化工领域最富挑战性的研究课题，具有重要的科 学意义和广阔的应用前景。迄今为止的基础研究和应用开发工作 主要是集中在两个方面：一是理论和技术发展相对成熟的间接转 化方法，即甲烷经合成气制备液

23、体燃料和高附加值化学品；二是采用常规催化或非常规方法促进甲烷的直接转化生成目的产物。 新近结题的“973”目在制备合成气的膜反应器、合成气制甲醇和 烯烃等方面取得了重要进展，相关成果已向国家“863计划和专项研究计划推荐；除此以外，在合成气制高品质液体燃料、甲烷 无氧芳构化和甲烷活化转化的基础研究等方面取得了显著进展， 为本项目的研究打下了坚实基础。 本项目拟以取得的成果为基础， 瞄准国民经济的重大需求和本领域世界科技发展的前沿，发挥本 研究团队的优势，选取天然气制合成气和氢、合成气制液体燃料 和含氧化合物、天然气直接转化以及与此相关的基础问题进行系统深入的研究。下图为本项目研究的总体思路。高

24、磁池池DM匚原料能源产品芳炷和氢 Benzene Hydrogen含氧化合物Alcohols, Ethers,Esters, Acids,Aldehydes油品GasolineDiesel项目的总体思路和主要研究内容1 天然气制合成气，及高温燃料电池研究方案和技术路线 天然气间接转化过程的 “龙头 ”甲烷制合成气长期以来一直 采用水蒸气重整的方法。但由于该过程能耗太高，降低了过程的 整体效益，国际上一直希望能发展新的路线和优化这一工艺过程。 已经过广泛研究，甲烷部分氧化是被普遍看好的替代过程。与水 蒸气重整相比，部分氧化反应过程具有能耗低、效率高等特点， 但由于工艺中需要纯氧，造成了过程的高投

25、资，也降低了过程的 安全性。在已结题的 “973项”目中，我们针对该过程集中进行了膜 分离和催化集成的研究，取得了较好的进展：发明了多种高效的 膜材料和催化材料， 成功地完成了实验室 500 克催化剂的 1000小 时试验。该成果已作为工业化前期成果向 “863和”国家专项推荐， 进一步的工业化试验应为企业行为，需要大量的投资。本项目中， 将集中对已形成基本概念、并经过初步验证的天然气绝热转化过 程进行研究，并采用结题 “973的”氧分离膜研究成果 （绝热反应器和 氧分布器 ）进一步提高过程的安全性。预计通过对催化剂的改进和 过程的优化，五年内有希望发展出一条新颖的、具有自主知识产 权的过程。

26、众所周知，现今天然气大量用于燃气轮机发电，该过程的能 效约为 40%左右。研究表明，如果以高温燃料电池代替通常的燃 气轮机，整体能源效率将超过 60%。本项目拟拓展已结题的 “973” 项目中透氧膜材料研究的成果，与催化氧化和电极过程动力等基 础相结合，进行高温固体氧化物燃料电池的研究。根据国内外技 术发展的现状和趋势，在项目执行初期拟首先进行合成气为燃料 的高温电池研究，在取得经验的基础上，逐步过渡到直接采用天 然气驱动高温电池。该项研究在高温催化材料和膜材料以及高温 催化反应动力学等方面有重要的科学意义。同时为我国将要开展 的煤气化为基础多联产过程的配套和完善提供技术支撑。2 合成气高效催

27、化转化研究方案和技术路线合成气转化制液体燃料和化学品的研究在国内外已有很长的 历史。总体看来，技术已经成熟，并已广泛应用于工业规模的转 化过程中，主要包括合成气制备甲醇、化肥和基于 Fe 催化剂的液 体燃料（主要为汽油等低碳烃）合成。这些过程国际上已形成了 完整的体系和产权覆盖，进一步的研究很难获得大的突破。本项 目拟选择国际上正处于研究阶段但还未形成产权覆盖、而我国有 较好的研究基础，并对我国的国民经济发展具有巨大推动作用的 合成气直接合成乙醇和低碳醇、 合成气在 Co 基催化剂上合成高碳 烃（如柴油）等课题进行深入研究，争取取得突破，形成我国自 主的知识产权。在Co基合成油研究中，重点将集

28、中在采用纳米技 术调变催化剂的选择性，降低合成气生成副产物甲烷的选择性； 另一方面采用纳米孔材料调控产物的碳数分布，从理论上打破 Schulz-Flore分布的限制，从而做到多产柴油和简化产品的后处理。3 天然气直接转化的研究方案和技术路线甲烷转化的另一个非常有吸引力的途径是直接转化生成目的 产物。该方面的研究已进行了很长时间，一直未能获得突破性进 展，迄今为止还未形成具有工业经济规模的反应过程。在已结题 的“973项”目中，我们集中对被认为具有良好前景的甲烷氧化偶联 过程和由我国科学家发现的甲烷无氧芳构化过程进行了深入研 究，相应成果得到了国际同行的高度评价。对这两种过程的系统 分析结果表明

29、： 过程在热力学和动力学等方面具有很大的相关性， 选择适合的催化剂、控制合适的反应条件有望实现过程的耦合。 理论计算表明，耦合过程将发挥较高的综合性能，甲烷的转化率 有望突破20% （700C条件下）,产物芳烃的收率高于15%，有望 达到工业经济运行的指标。本项目拟集成中科院大连化物所和兰 州化物所的相关技术， 并与理论模拟和过程优化的优势单位合作， 力争形成我国独创的甲烷活化过程，最终实现甲烷的高效直接转 化。甲烷在温和条件下直接转化制备含氧化合物的研究，近年来 受到越来越多的关注。据预计，高度对称的甲烷分子的 C-H 键在 温和条件下的活化须借助非常规或非化学催化的办法。本项目拟 在对常规

30、的强酸介质中的催化过程进一步研究的基础上，积极发 挥我国现有的优势和特色，开展非常规条件下甲烷活化的基础研 究和前期探索，以期获得突破。初期的工作拟集中在低温等离子 体活化制清洁油品、金属酶和模拟酶参与的甲烷活化制甲醇和甲 醛，以及可能的熔盐体系和离子液体体系等。该课题拟进行滚动 支持，随时发现和吸收先进的方法和技术。4 相关催化基础问题的研究方案和技术路线上述所有过程的科学基础是催化。催化的科学和技术问题贯 穿于各个反应过程。作为催化研究中共性和关键的科学问题，本 项目拟在结题的 “973项”目取得成果的基础上 , 进一步集中在催化 反应中间体的捕获、鉴定，以及基于同位素示踪的催化反应动力

31、学研究。发展以光谱、能谱和波谱为代表的催化反应原位动态表 征手段，并与国内大科学工程合作，实现真实催化过程的系统研 究。这些研究将与本项目的其它反应过程相配合，重点开展纳米 催化理论、纳米孔道对催化反应的约束机制、催化剂表面氧物种 的形成和催化作用机制以及结构导向的催化材料合成等研究，其 研究成果一方面为推动本项目的各课题的研究提供解释和理论基 础，同时更好地促进催化理论，特别是高温催化理论的发展。本项目研究从天然气和合成气的高效催化转化研究入手，同 时瞄准国内能源结构优化的大方向。本项目中的合成气转化制高 品质液体燃料、乙醇和低碳醇，合成气和天然气驱动的高温燃料 电池，以及大规模制氢和 CO

32、2 捕获和处理等技术的进展和突破， 都将为我国未来的以煤气化为基础的多联产计划的实现提供技术 支撑，为优化我国的能源结构，促进社会的可持续发展提供科学 和技术基础。四、年度计划前二年 ，在现有知识积累的基础上，针对天然气经合成气间接转 化的造气“龙头”，开拓采用空气作为氧化剂，将天然气部分氧化 制合成气的反应分离一体化的崭新过程， 完成工业放大前期工作； 注重解决合成气的高效转化中涉及的定向转化的科学问题，逐步 完成高效制高品质柴油和直接合成含氧化合物等过程的基础性试 验，并通过实验室小试验证；在已有成果的基础上，完成甲烷无 氧芳构化和氧化偶联过程耦合的概念验证和初步试验；第一年重点开展高性能

33、、抗积碳阳极催化材料以及阳极表面积碳机理研 究，设计、制备适合天然气燃料的固体氧化物燃料电池阳极催化 材料。完成Co系列催化剂的制备，采用 XRD TPR EXAFS HRTEh及化学吸附等手段进行催化剂的结构表征。获得反应性能优异，工程 性能优良的原粒度催化剂；采用工业载体进行载体修饰和 Rh催化 剂研制，具有最大化的贵金属利用效率和最小化的运行成本催化 剂配方的优化；研制碳纳米管或碳纳米纤维促进的的 Co-Cu 基催 化剂和Mo-Co-S基催化剂。重点开展高性能 抗积碳甲烷直接转化催化剂的制备和结构表征 利用量子化学和分子模拟理论计算甲烷 (低碳烷烃 )与模型催化剂 和已知活性中心反应的机

34、理；探索非常规方法如超强酸 络合催 化、光催化等进行甲烷活化和转化；利用 PEEM和HREEL帶技术 考察过渡金属和贵金属模型单晶催化剂表面结构的动态变化过 程；利用紫外拉曼光谱 (UV-Rama n)和激光诱导表面荧光光谱 (LISFS) 进行甲烷活化和转化的原位催化研究。第二年重点开展管型催化膜电极结构的设计与制备，制备出具有不同微 结构特征的阳极基底层和电催化反应层，提高电催化层的三相界 反应界面和电催化反应性能，改善基底层的气体传输和电子传导。 建立产物详细分析方法，建立动力学参数测试方法，评价催化剂， 得到基元反应的动力学参数，完成费托合成动力学及其传递特性 研究，获得本征动力学和传

35、递对动力学影响的各种动力学参数， 建立动力学模型；进行Rh合成催化剂性能的改进：重点考察催化 剂的制备方法对反应活性 , 选择性以及稳定性的规律性认识； 非 常规的制备手段来提高贵金属的分散状态，制备模型催化剂来研 究贵金属分散状态与催化性能之间关系，提高对催化剂的结构与 反应性能规律的认识。重点完成甲烷无氧芳构化和氧化偶联过程耦合的概念验证和初 步试验；利用DFT Monte Carlo和MD等理论方法设计催化材料合成和结 构性能控制的分子基础和制备动力学模型；采用红外、拉曼、荧 光、NMR XRD和STM等原位动态表征技术跟踪催化材料合成过程 中结构变化规律；进行纳米金属和纳米孔催化剂上甲

36、烷 （ 低碳烷烃 ） 吸附和活化，利用NMR UV- RAMA等技术考察纳米金属和纳米孔 材料在原位反应条件下的结构动态变化过程。后三年， 以天然气和合成气的高效催化转化为目标，以新催化材 料的创制和新催化过程的开拓为主要手段，实现甲烷和合成气的 直接催化转化制芳烃、 高碳烃与含氧化合物的一系列催化新过程； 突破天然气大规模高效制氢、CO处理和高温燃料电池的关键科学 和技术问题，完成实验室小试；结合上述目标的完成，从理论和 实践上发展并完善催化过程的原位实时表征技术和相关的动态催 化理论，创新高温催化技术和催化偶合技术，从整体上带动和促 进催化学科的发展和进步。具体包括：1. 完成天然气在绝热

37、条件下空气部分氧化制备廉价合成气的工 业性试验，并形成技术软件包；基于膜分离制氢最大规模达 200M3/h ，过程的甲烷转化率大于96，能量转换效率高于70%，氢气纯度高于99.99%,其中，CO含量小于1ppm2阐明CO加氢合成烃选择性控制与催化剂组成、结构和工艺条件的内在联系，并以反应网络表示基元反应进行的可能性，以 催化剂参数和动力学参数来描述基元反应进行的程度。在此基 础上开发出较好的重质烃、柴油馏分催化剂，在立升级装臵上 进行催化剂的 1000小时寿命实验，实现催化剂的基本定型；3. 解决从天然气经合成气制燃料乙醇的工业化生产所面临的主 要关键技术问题，着重研究开发贵金属利用效率最大

38、化和最低 运行成本最小化相结合的催化剂研究开发；改善强放热反应的 移热方式，进行适合该反应条件的浆态床反应工艺和变径固定 床反应工艺的研究开发，提高催化剂选择性完成相关过程的工 业化试验，并形成技术软件包；4. 通过实现抗积碳固体氧化物燃料电池催化材料和管型固体氧 化物燃料电池催化膜电极制备技术的突破，形成固体氧化物燃 料电池发电系统的关键材料和关键部件的技术基础；研制 1-5kW 管式固体氧化物燃料电池发电系统，形成固体氧化物燃 料电池系统集成的核心技术；5. 完成甲烷无氧芳构化和氧化偶联的系统耦合研究，认识耦合过 程的热力学和动力学基本规律，实现催化反应过程产品收率高 于15%的经济运行指

39、标，形成具有创新性和自主知识产权的甲 烷活化转化过程；6. 实现在甲烷、低碳烷烃的碳氢键活化理论、费 -托合成的产物 调控机理和催化反应的原位、动态表征方法等方面的突破，并得到国际同行的认可；在该研究的相关领域形成在国际上有重 要影响并得到国际公认的研究队伍。第三年重点开展催化电极材料与电解质材料间材料相容性研究， 制备性 能优良的、适合天然气燃料的固体氧化物燃料电池。开展催化剂的瞬变动态与光谱研究， 探索反应中间体的形态，进 一步阐明选择合成的科学规律；浆态床反应工艺以及与此相适应 的Rh催化剂的研究开发，浆态床反应工艺条件及其催化剂的优 化；重点开展甲烷无氧芳构化和氧化偶联的系统耦合研究，

40、认识耦合 过程的热力学和动力学基本规律。针对甲烷（低碳烷烃）选择氧化，采用非常规方法如超强酸、超声、 络合催化、光催化等进行甲烷活化和转化 ，发展超临界非常规体 系中的甲烷（低碳烷烃）活化的理论；完善甲烷（低碳烷烃）催化活 化反应机理的原位 MAS NM研究，实现温度可达200 C下的动态 高温常压原位表征技术，确定甲烷活化的反应机理，催化剂结构 和性能的关系；进一步拓展纳米催化剂上甲烷 （低碳烷烃）活化和 转化的研究，进一步拓展在制备纳米催化剂和建立纳米结构与催 化性能方面的关联。第四年重点开展固体氧化物燃料电池堆的结构设计与优化；完成固体氧 化物燃料电池系统内部气体分配、传输、反应等研究。进行催化剂的长期运转，探索催化剂在反应过程中的物相变化， 对失活催化剂进行再生试验。进行气-液-固三相传递的计算流 体力学和实验研究，从宏观尺度描述费托合成过程的扩散、反