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天津大學(xué)日前打破傳統(tǒng)實驗“試錯法”局限，取得了開發(fā)重要化工催化材料的新進展。該校新能源化工團隊通過合金催化劑“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”。

該研究得到國家自然科學(xué)基金和科技部重點研發(fā)計劃支持，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”是目前市場占有率增長最快、最具前景的丙烯生產(chǎn)技術(shù)之一。然而，我國現(xiàn)有的“丙烷脫氫”工藝主要依賴高價進口的成熟工藝包，作為工藝核心的催化劑被發(fā)達國家牢牢把持。缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)的丙烷脫氫催化劑成為國內(nèi)化工業(yè)的短板弱項。

圖為烷烴脫氫催化劑

傳統(tǒng)丙烯生產(chǎn)工藝采用實驗“試錯法”研發(fā)催化劑，往往需要數(shù)月甚至數(shù)年時間，消耗大量人力物力財力。通常，采用“試錯法”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，這也成為催化劑開發(fā)創(chuàng)新的“屏障”。

天津大學(xué)新能源化工團隊以“實踐論”為指導(dǎo)，提出了“催化微環(huán)境預(yù)測催化性能”的方法。他們創(chuàng)新算法，借助計算機程序發(fā)現(xiàn)了烷烴脫氫“單位點”合金催化劑的設(shè)計新途徑，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，提升了催化劑市場競爭力。實驗證明，新型催化劑的丙烯選擇性顯著優(yōu)于國際同類產(chǎn)品，且在長程穩(wěn)定性和再生循環(huán)測試中均保持穩(wěn)定。

近年來，天津大學(xué)新能源化工團隊探索形成了“催化劑理性設(shè)計—精準(zhǔn)構(gòu)筑—應(yīng)用引領(lǐng)”的研究范例，建立了相對完整的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型高效丙烷脫氫催化劑的專利體系。“我們正在與行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)合作開展催化劑工程制備與工藝放大研究，實現(xiàn)了新型丙烷脫氫成型催化劑的工程制備，加速突破國外催化劑技術(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，可能會為相關(guān)領(lǐng)域催化劑設(shè)計和催化過程解析提供新思路，對加快工業(yè)催化劑創(chuàng)新開發(fā)具有重要意義。”

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