新型微纤结构催化_吸附填料研究进展

吴子轩 | -> | 616| 0| 1.022276MB |结构填料,吸附,过程强化,选择氧化,制氢,燃料电池,电化学储能

要：采用新结构的催化/吸附填料来发展反应过程强化技术是当前寻求节能减排、环境友好和安全生产的重要途径之一. 新型微纤结构填料可将大空隙率、小尺度 (颗粒)、多孔结构、大比表面积、良好导热性和渗透性以及独特的形状因子等有利于改善反应/吸附床层传质/传热和几何构型灵活设计的诸多要素一体化. 综述了微纤结构填料在能源催化、选择氧化、空气过滤和电化学储能材料制备等方面的研究进展, 并对微纤结构填料的发展方向和应用前景进行了展望.

    发展和应用过程强化技术以提高化工反应过程效率正备受关注[1~4]. 2008 年, 荷兰发起了“过程强化行动计划”, 旨在加速过程强化技术应用, 并绘制了“欧洲过程强化路线图”[3]. 多功能结构填料技术将在过程强化多相反应器的发展中起到至关重要的作用. 结构填料技术的应用淡化了传统概念上催化剂和反应器间的界限, 可视为颗粒填充床的一种强化形式[5]. 结构填料的优势在于能对其大小和形状等细节, 直至催化剂周围环境进行精准设计, 在调控扩散距离和空隙率等方面表示出高度灵活性[1,2,6]. 该技术能将传统反应器中彼此偶合的因素 (如反应动力学、流体力学和传质与传热) 解偶合, 因而可在一定程度上对各因素进行单独优化或调控, 进而显著提升反应过程的效率[7]. 编织整体填料 (knittedpackings) 和折叠结构开放/闭合错流填料 (corrugatedopen/closed crossflow packings) 被广泛用于蒸馏塔,显著提高了分离效率[8~10]. 蜂窝陶瓷 (cordieritemonoliths) 能很好地平衡催化剂利用效率与压力降的矛盾, 已普遍用于汽车尾气催化净化, 乃至蒽醌加氢中[11], 同时在其它催化过程的应用也在广泛探索中[2,12~15]. 另外整体泡沫 (foam) 等一些新结构填料也不断出现[16~22]. 尽管这些结构填料可显著强化传质和传热等, 但如何在传承其优势的同时, 实现结构
填料的功能化 (如催化功能化), 以满足众多传质或传热受控的多相催化/吸附过程对该强化技术的强
烈需求, 却面临着极大的挑战. 虽然通过涂层技术,可以在现有结构填料上涂敷几到数十微米厚的催化
剂层, 但催化剂承载量有限 (一般< 20%), 而且这一技术成本高、实施难度大[1].
    通过造纸-后烧结直径 2~20 μm, 长 2~10 mm 的短切纤维 (金属、玻璃/陶瓷和有机聚合物) 而形成可裁剪的、具有大空隙率的三维网状结构, 是一种新兴的微纤结构填料[23~27]. 这种独特的微纤结构填料可将大空隙率、小尺度 (颗粒)、多孔结构、大比表面积、良好导热性和渗透性以及独特的形状因子等有利于改善反应/吸附床层传质/传热和几何构型灵活设计的诸多要素一体化[23~28].
    本文简要介绍了微纤结构填料的特性和制备流程, 对近年来微纤结构填料技术应用于能源催化、空气过滤、绿色醇选择催化氧化以及电化学储能等方面的研究工作进行了评述, 并对微纤结构填料在发展过程强化技术中的应用前景进行了展望.

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