二氧化碳催化转化制碳酸二甲酯的分子筛膜催化反应过程研究

Membrane catalysis reaction which was developed recently is a promising and novel catalytic reaction technology with wide application, and it can synchronously fulfill two processes of catalysis reaction and production separation, thus achieving the integrative processes of catalysis-reaction-separation. Membrane catalysis reaction has many advantages, such as process simplify, cost save and energy reduce. This project focuses on the design and control of the microstructure of the LTA membrane reactor for the DMC (dimethyl carbonate) production from CO2 and methanol. Through the reaction of the covalent bonding between APTES (3-aminopropyltriethoxysilane) and porous supports as well as LTA membrane, a novel reaction-separation integrative and bi-functional LTA membrane reactor is prepared on porous support to utilize for the production of DMC based on the catalytic methanol steam reforming. The effects of the microstructure and surface properties of the supports as well as the synthesis factors on the microstructure and separation performances of the reaction-separation integrative and bi-functional LTA membranes are investigated. The relationships between the microstructure of the LTA membranes and the microeffect like crystal size of the catalysis active components as well as the efficiency of the DMC production are discussed. The interactions between catalysis materials and LTA materials during reaction-separation coupling process as well as the interaction between catalysis reaction and membrane separation process are evaluated, and thus provide the stable foundation to build the theory of inorganic membrane catalysis.

膜催化反应是近年来发展起来的具有广泛应用前景的新型催化反应技术，可同时完成催化.反应和产品分离两个过程,从而实现催化-反应-分离一体化，具有简化流程、节省投资、降低能耗等优点。本项目通过对催化转化二氧化碳和甲醇制碳酸二甲酯的LTA分子筛膜催化反应器进行微观结构的设计和调控,借助APTES（3-氨丙基三乙氧基硅烷）和多孔基体及LTA膜之间的共价键合作用，在多孔基体表面制备出具有反应分离一体化双功能的LTA膜反应器并用于高效催化二氧化碳和甲醇制碳酸二甲酯。详细考察基体微观结构及表面性能和合成工艺参数对反应分离一体化双功能LTA膜的微观结构和分离性能的影响，探讨双功能LTA膜表面的微观结构、催化活性组分晶粒尺度等微观效应与碳酸二甲酯效率的相关性，进而从理论和实验上深入认识反应与分离耦合过程中催化材料和膜材料之间以及催化反应过程和膜分离过程之间的相互作用，为进一步建立无机膜催化理论提供坚实基础。

膜催化反应是近年来发展起来的具有广泛应用前景的新型催化反应技术，可同时完成催化反应和产品分离，从而实现在一个催化反应体系中反应-分离一体化，具有流程简单、降低能耗、节省投资等诸多优点。本项目在国家自然科学基金的资助下，主要开展了以下工作：（1）借助APTES，PDI等有机粘结剂和多孔载体及分子筛膜之间的共价键合作用，在基体表面成果制备高分离性能的LTA、FAU分子筛膜；（2）借助微波辅助合成法和溶剂热法制备铈基金属有机框架材料作为CeO2催化剂前驱体，探索合成温度、时间、调节剂等对催化剂微观形貌和性能的影响；（3）探索研究分子筛膜与CeO2催化剂耦合的膜反应器在碳酸二甲酯合成的相关性。.首先，通过有机粘结剂的共价键合作用，设计并完成了LTA分子筛膜、FAU分子筛膜的可控制备，并表现出优异的脱水性能，针对碳酸二甲酯与水的分离，在80 oC测试温度下，针对95%碳酸二甲酯，分子筛膜通量可达2.65 kg/(m2 h),分离因子超过5000。相关研究成果发表SCI论文3篇。.采用微波辅助法和溶剂热合成法合成了铈基金属有机框架（MOF）粉末，探索合成温度、合成时间、调制剂浓度等对MOF的形貌、结晶性的影响，并成功制备了完美八面体形貌、高比表面积（839.3 m2/g）的MOF材料，通过高温处理，成功获得高比表面、高分散性的CeO2纳米催化剂。相关研究成果投稿SCI论文1篇，申请专利1项。.将制备得到的纳米催化剂与分子筛膜耦合在一个反应器中，进行催化-分离一体化评价，研究结果表明，通过加入高性能脱水分子筛膜，在同样的操作条件下，反应温度为200 oC，压力为2 MPa时，反应的转化率（4.3%）高于固定床反应器反应器的转化率（0.5%），这说明使用膜反应器有助于提高反应体系的效率，膜表面微观结构、催化剂颗粒等微观效应与反应体系的相关性研究仍在进行中，相关研究成果正在整理成文。