氢正仲转化纳米催化剂的超重力可控制备及催化机理研究

Ortho-para conversion technique is one of the core technologies to achieve hydrogen liquefaction and efficient storage. Research of the controllable preparation of nano-catalyst for ortho-para hydrogen conversion and the relationship between catalyst micro size, morphology and catalytic activity is the key problem to develop the ortho-para hydrogen conversion technique, and it has great theory and application value. Based on the advantage of great intensification and effective regulation of micromixing at molecular level, RPB reactor is first used to synthesize the nano-catalyst and regulate the micro size and morphology of the catalyst in this project. The regulation mechanism of micro size and morphology of catalyst particle in the synthesis process under high gravity field will be constructed. The cryogenic catalytic conversion performance, relationship between catalyst micro size, morphology and catalytic activity will be studied, and molecular diffusion and catalytic conversion mechanism in micro scale of catalytic conversion process will be analyzed. Finally, inner relationship model between catalyst preparation process and catalyst micro size, morphology characteristic and cryogenic catalytic conversion performance will be built. This work will provide guidance for the design and preparation ortho-para hydrogen conversion catalyst, and provide theory and application foundation for large-scale preparation.

正仲氢转化技术是实现氢液化和高效存储的核心技术之一。而氢正仲转化用纳米催化剂可控制备及催化剂微观尺寸、形貌与其催化活性之间的构效关系研究是提高氢正仲转化技术的关键，具有重大的理论研究意义和应用价值。本项目首次提出利用RPB反应器在分子层面微观混合高度强化和有效调控的优势，创新性地将其应用于纳米催化剂的制备及微观尺寸和形貌调控。构建超重力场下，催化剂颗粒合成过程中微观尺寸、形貌的调控机理。研究催化剂低温下的催化转化性能，探索催化剂微观尺寸、形貌特征与其催化活性之间的构效关系，并通过微尺度分子传质扩散和催化转化机理研究，解析催化转化过程，最终构建纳米催化剂制备工艺-催化剂微观尺寸和形貌特征-低温催化转化性能间的内在关系模型，为开发和制备氢正仲转化催化剂提供指导，为规模化制备奠定理论和应用基础。

铁系氧化物在催化过程中大量应用，如氢液化过程的正仲转化，推进剂的催化燃烧等。而纳米催化剂可控制备及催化剂微观尺寸、形貌与其催化活性之间的构效关系研究是提高氢正仲转化、催化燃烧等催化过程的关键，具有重大的应用价值和理论研究意义。本项目首次提出利用RPB反应器在分子层面微观混合高度强化和有效调控的优势，创新性地将其应用于纳米催化剂的制备及微观尺寸和形貌调控。成功制备了纳米氧化铁、氧化钴催化剂材料，并实现了催化剂形貌，尺寸在纳米层次上的调控。研究了催化剂低温下的催化转化性能，探索催化剂微观尺寸、形貌特征与其催化活性之间的构效关系。研究发现在不同铁氧物中，α-Fe2O3较其他材料具有更优的催化性能，且在不同形貌中，α-Fe2O3的晶粒形貌为菱形六面体时催化性能最好；同一形貌的产物，随着晶粒尺寸的减小，催化性能增加。初步探究了纳米铁系氧化物的催化机理，研究发现在反铁磁性物质中，氢正仲转化催化性能可能和催化剂剩余磁化强度有关，剩余磁化强度越小，催化剂催化性能越好。成功将上述制备的纳米铁系催化剂应用于高氯酸铵催化热分解过程中，研究发现纳米铁系催化剂的添加可明显降低AP的催化热分解温度，提高分解释热量，这主要是纳米氧化铁降低了AP分解的活化能导致的。通过实验发现，纳米氧化铁催化剂颗粒尺寸降低，均匀度提高，其催化性能明显提高。此外，实验探索了纳米氧化钴的可控制备方法，通过实验条件调控，制备了棒状，六面体，片状不同形貌和尺寸的纳米氧化钴催化剂，探索了晶面和尺寸在AP催化热分解中发挥的作用。采用DFT模拟的方法，解析了纳米氧化钴在AP热分解过程中发挥的作用，理论模拟计算结果与实验结果吻合良好。