多相催化:使一个可持续发展的未来

多相催化的重大挑战

在过去的十年中,催化科学家一直在应对各种挑战的前沿在气候变化、污染和可持续能源。在解决这些复杂和不断变化的景观杂乱的挑战看到许多创新策略和方法正在开发的催化社区。

催化科学的核心,多相催化驱动器很多重要的工业过程的卓越能力加快反应的速度和低成本、高转换,和产品选择性。再循环能力异构催化剂的性质使绿色和可持续的生产,避免了二次污染问题。到目前为止,异构催化剂发挥重要作用在生产世界上80%以上的化工产品。2019年,全球催化剂市场规模预计价值339亿美元,增长4.4%的复合年增长率从2020年到2027年。催化剂是成柱状的描写就是行业需求的上升,包括能源、环保、精细化工合成、和散装化学品生产等。它是一个不可否认的事实,每个领域的突破了多相催化导致世界主要经济体的经济成功和改善人们的日常生活。

多相催化社区工具大全球性挑战在能源和环境在一个较高的水平。2020年COVID-19标志着一个新的正常我们的世界。我们看到在公路上的汽车更少,取消航班,餐馆的关闭,前所未有的限制日常活动等。尽管把我们的经济停滞,我们使用更少的碳基燃料和潜在的释放更少对环境污染物。但是这post-COVID-19世界意味着什么呢?

整个温室气体(GHG)排放2020年~比前一年低4%。虽然这个中间结果听起来积极的环境,温室气体排放减少4%的目标只会导致大约三分之二的要求来满足每年的“1.5°C目标”(也就是说,让全球气温升高低于1.5°C到本世纪末)。这意味着减少人类活动,如限制空中旅行,大规模集会,并使用汽油的车辆,甚至水平尽可能严格我们正在经历什么COVID大流行,不足以解决气候变化问题。这个事件证实,更务实的方法是必要的。

在未来几年,圣杯的环境仍然是发展可持续能源取代化石燃料的规模很大。挑战包括生成可再生燃料,保证太阳能和风能,可持续的电力生产,安全、高效长期能源存储(龚和里克,2014)。收获可持续能源的成本通常比化石燃料高。由先进的工程(如风力涡轮机与更高的容量比十年前因素)和税收优惠等政策,我们看到了可再生能源的发电成本下降在过去的5年。在许多地方,可再生能源的成本相当,甚至低于传统能源如石油、天然气和煤炭。水力发电是目前最便宜的可再生能源的来源。这是平均每千瓦时0.05美元(千瓦时)和海上风电的成本接近0.13美元每千瓦时2019年5月。COVID-19之前,这些可再生的选择开始变得经济可行的化石燃料的成本相比,通常从0.05美元到0.15美元/千瓦时。上述积极激励暗示我们的研究可再生能源互补的区域,如催化生物质转换,生成氢/存储和有限公司₂捕获/利用率,仍将在未来世界的关键。

氢气被认为是清洁能源和化工原料,可用于燃料电池,运输燃料,石油精炼和尿素生产。然而,目前超过95%的氢气生产来源于化石燃料,主要通过蒸汽甲烷重整。氢可以通过催化电解水产生的可再生电力或water-gas-shift反应,但商业生产挑战扩大电力需求(高Dawood et al ., 2020)。有限公司₂封存对减缓温室气体排放研究多年,,再一次,增加了公司成本和风险增加₂泄漏阻碍大规模实现。有限公司₂封存也浪费潜在有价值的化工原料(有限公司₂)。我们预见到催化社区将重点开发新催化过程和新催化剂生产bio-hydrogen从可再生能源和捕获有限公司₂有效。

科学,一个成功的多相催化反应是由三个基本基本步骤,即吸附,表面反应,和解吸,固体表面。因此,多相催化的发展离不开知识的表面与界面科学,必然要解决的重大挑战三个主要领域:催化剂的设计和合成,原位描述和理解催化的复杂性。

催化剂的设计和合成是一种艺术,选择正确的生产所需的化学催化活性成分。精确地控制催化剂上催化组件需要复杂的合成技术和科学的支持扩大规模,满足实际生产。一个典型的例子就是从合成气合成更高的酒精,这需要两种不同的金属网站在接近分子距离表面,使协同催化效果(汗et al ., 2020)。集成多种催化剂在单一环境也扮演了一个至关重要的部分在强化过程。

另一方面,特制的微孔材料,如沸石、有机框架(mof),或共价有机框架(咖啡),是重要的工业应用。以沸石为例,其催化性能主要依赖于高表面积和阳离子交换容量,沸石催化剂通常需要多个功能,如孔隙大小/形状,可调酸度、亲水/疏水性质的,水热稳定性,特别是,抵制可口可乐失活好。层次沸石和他们的设计提供一个解决方案来满足这样的需求。新的合成策略的分层沸石,可持续、环保和具有成本效益的,至关重要的研究领域,在现代催化(贾et al ., 2018)。

在过去,催化剂表征进行了“离线”反应环境,防止物理洞察力研究在实际条件下催化系统。我们看到在过去十年的快速发展原位/operando催化剂表征工具,帮助研究人员识别描述符和structure-reactivity关系(崔et al ., 2020)。随着原位/operando描述工具变得更加成熟和功能在恶劣的条件下,如高温、高压,我们将看到一个飞跃在我们解开许多新催化剂和催化路线的能力。

有一个基本的了解表面催化多相催化的化学反应是一个重要的组成部分。我们可以建立预测建模策略对于现实的催化系统的强耦合理论和实验。计算方法,如分子动力学模拟,密度泛函理论(DFT)计算,将继续成为理解催化和表面化学反应的根本基础。最大的挑战之一是仍然缺乏一个瞬态多相催化的观点,解释失去平衡的过程。的发展,计算化学方法将产生一个工具箱解开催化复杂性和反应机制在不同流程场景(Gaggioli et al ., 2019)。在催化领域的研究在这个领域将塑造创新并导致更可持续的化学过程。

国际催化社会需要互相分享前沿研究工作主动以透明的方式进行。向世界,使我们的知识更容易,我们将能够推进的发展使工具和工程基础需要解决我们面临的强大的挑战,当我们努力提高所有人的生活质量。

在多相催化专业部分雷竞技rebat在催化领域旨在获取最近的有效的研究工作,通过社区提供灵感和刺激。

作者的贡献

XH AY准备手稿的草案,修改了手稿,并阅读和批准最后的手稿。所有作者的文章和批准提交的版本。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

引用