浙大化学系王勇课题组在高性能加氢催化剂的开发及产业化应用方面取得新进展,应用,课题组,EditSprings,艾德思



催化加氢反应是化学工业中最为重要的反应之一.项目以Pd/C/Pt/C等传统的炭负载型加氢催化剂为出发点,针对该类催化剂制备过程复杂/载体稳定性差/纳米金属易流失和团聚等问题,在国际上较早提出了利用氮掺杂的多孔炭作为新型载体来稳定纳米金属并提高催化剂活性的催化剂设计思想,先后开发了多种氮掺杂多孔炭的制备方式,大幅度地提高了炭负载型催化剂在使用过程中的活性及稳定性.

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   课题组和浙江新和成股份有限机构开展了紧密的产/学/研合作,针对维生素产业链中典型的催化选择性加氢反应,对炭负载型催化剂催化活性位点进行了有效地调控,开发了一系列的碳基复合催化材料,多项研究成果实现了大规模的工业应用,尤其在国际上首次实现了氮掺杂炭材料负载的纳米Pd催化剂的大规模产业化应用,拓宽了碳基材料的应用范围.这些前沿催化技术的研发与大规模应用极大地增强了企业的核心竞争力,为企业的节能减排工作做出了积极贡献,产生了显著的经济和社会效益,促使合作企业浙江新和成股份有限机构成为世界三大维生素生产商之一,2016年起合作企业浙江新和成股份有限机构维生素E产量更是超越BASF成为世界第一.

科学解读

    受蝙蝠启发,人们发明了雷达声纳;受鸟翼启发,人们制造出了滑翔机;受鱼鳔启发,人们打造了潜水艇升降结构……来源于生活,又运用于生活,这便是科研对于社会进步的巨大推动力.在浙江大学化学系催化所,研究人员受到馒头内部结构的启发,开展了"基于碳氮材料纳米催化剂的制备及应用研究',为我省医药化工转型升级提供了新动能. 

   谈及化工,人们总会将"高污染/高毒性'等词语与之联系起来.不过近年来"绿色化工'概念的提出,要求从工艺源头上就运用环保的理念,使化学工业环境污染的治理由先污染后治理转向从源头上根治环境污染.

改革开放以来,浙江医药产业依靠体制/机制的先发优势,克服了复杂多变的国内外经济环境的严峻挑战,成为浙江省重要的主导产业之一.不过即便如此,面对环境友好/节能减排等压力,近年来我省医药产业仍然面临着十分巨大的转型升级压力.

医药产业怎样转型升级?在王勇教授看来,针对制药工艺中催化剂的设计俨然成为了决定行业转型升级成功与否的关键.活性炭或者多孔炭在化学工业中常被用作催化剂载体,但是活性炭地域差异大,孔道主要是微孔,作为载体负载得到的催化剂催化效率低/纳米金属容易流失,从而导致生产成本高,环境污染严重.课题组通过开发一系列的氮掺杂多孔炭材料作为新颖的载体,利用电负性的氮和金属之间的相互作用,提高了纳米金属在炭载体上的分散度以及催化剂的抗烧结与抗流失能力,从而大幅度提高了纳米金属的催化效率,并且简化了后续分离过程.该研究也得到了浙江省自然科学基金的大力支持.

受馒头内部星宿结构启发解决催化剂载体制备难题.据王勇课题组的研究发现,以具有多级孔道结构的氮掺杂炭材料作为载体,负载纳米金属后制成的新型催化剂,不仅显著地提高了催化效率,同时实现了多次回收利用,在成本上得到了有效控制.如在维生素H合成的一步加氢反应中,相比于传统的钯炭催化剂,新型催化剂中贵金属的使用量下降了80%,同时可回收利用15次以上,大幅度地降低了生产成本.

不过,要想从纳米尺度甚至是原子/分子尺度对催化剂进行调控可不容易,为此课题组可谓绞尽了脑汁.改变材料结构/改变材料特性/提升金属附着力……从项目立项以来,王勇带领科研团队做了不下百次实验,但始终未能有效突破,直到有一次早餐桌上的启发.

"经过多次改良后,课题组仍未有大的突破,让所有人都略显沮丧.不过一次早餐时偶然掰开馒头受到的启发,改变了整个局势.'王勇回忆说,在经过小苏打发酵过后蒸出来的馒头,内部形成了不规则的蜂窝孔道结构,为什么我们的材料不能向馒头"学习'呢?

带着从餐桌上得到的启发,王勇和课题组成员回到实验室第一时间着手实验,开发了用碳酸盐替代传统火碱作为助剂,利用物理膨胀结合化学活化的方式,实现了从原始生物质如竹子/椰壳等一步法制备得到同时含有丰富大孔/介孔及微孔的多级孔炭材料.实验证明,这些具有与馒头内部类似的多级孔道材料,是优异的纳米金属载体材料,同时该方式原料廉价易得,添加剂便宜,方式简单,可持续性强,极具规模化生产的潜力.

    如今,王勇的相关技术已经迈入了产业化的第一步,在与浙江新和成等企业的产学研合作中,结合企业节能降耗/绿色工艺的相关需求,将核心的催化剂技术与企业需求结合起来,成功实现了企业的快速转型升级.

项目团队

项目负责人王勇教授2002年本科毕业于湘潭大学,2007年获浙江大学化学工程博士学位,先后在浙江大学化学系和德国马普胶体与界面化学研究所从事博士后研究工作.2011年起受聘为浙江大学特聘研究员,2016年转为教授.现为浙江大学化学系催化研究所教授/博士生导师/催化研究所所长.中组部"万人计划'青年拔尖人才和国家自然科学基金优秀青年基金获得者.所领导的团队主要从事碳基纳米催化剂开发研究,致力于将碳基纳米催化剂的前沿技术转化为现实生产力,所开发的多个催化剂在工业上得到应用.先后负责国家自然科学基金项目5项/浙江省自然科学基金杰出青年项目1项/浙江省自然科学基金重点项目1项.在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Energ. Environ. Sci., Adv. Mater., ACS Catal, J. Catal.等杂志上发表学术文章100余篇,其中第一作者或通讯作者文章80余篇,包括J. Am. Chem. Soc. 5篇,Angew. Chem. Int. Ed. 3篇,Nat. Commun. 1篇,Energ. Environ. Sci. 1篇,Adv. Mater. 1篇,ACS Catal. 5篇,sci引用6500余次,H-index 41.授权国家发明专利20项.

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