结构催化剂与反应器

**章　绪论 / 1

**节　结构催化剂与反应器（SCRs）的发展历程 1

一、化工过程强化与SCRs 概念的提出 1

二、结构催化剂与反应器和传统催化反应器的比较 5

第二节　结构催化剂与反应器的主要特征及分类 7

一、规则空隙结构催化剂与反应器 8

二、非规则三维（3D）空隙结构催化剂与反应器 14

三、多级孔结构微纳催化剂与反应器 16

第三节　结构催化剂与反应器的标志性工业应用与示范例 17

一、规则空隙结构催化剂与反应器 17

二、非规则三维（3D）空隙结构催化剂与反应器 20

三、多级孔结构微纳催化剂与反应器 21

第四节　结构催化剂与反应器的机遇与挑战 23

参考文献 25



**篇　规则空隙结构催化剂与反应器 / 29

第二章　规则空隙结构基体及结构催化剂与反应器 / 31

**节　规则空隙结构基体32

一、独居石基体 32

二、微通道基体 35

三、有序排列结构基体 36

第二节　独居石结构催化剂与反应器 39

一、独居石催化剂的基本类型及结构特点 39

二、独居石催化剂的基本构型及性质 40

三、独居石催化剂的设计 44

四、独居石催化剂的优缺点 51

第三节　微通道催化反应器53

一、微通道催化反应器的结构类型 53

二、催化活性组分负载方式 55

第四节　有序排列结构催化剂与反应器 55

一、颗粒排列式催化反应器（particles-arranged catalytic reactors） 56

二、活性组分沉积式催化反应器（deposited catalytic reactors） 58

三、烛式催化反应器（candle catalytic reactors） 58

第五节　膜催化反应器 59

参考文献 61



第三章　规则空隙结构催化剂与反应器的传递现象 / 65

**节　蜂窝结构催化剂与反应器的气固热/ 质传递 65

一、热量传递的影响因素 66

二、热传导和对流传热 66

三、有效因子及通道几何构型的优选 71

四、气固传质 73

五、压力降 75

第二节　蜂窝结构催化剂与反应器的多相质量传递 76

一、液固质量传递 76

二、气液质量传递 77

三、气固质量传递 78

第三节　蜂窝结构催化剂与反应器的多相流体力学 79

一、流区 79

二、压力降 83

三、液体滞留量 85

四、停留时间分布 87

五、非理想流动模型 88

第四节　有序排列结构催化剂与反应器的流动与传递 89

一、平行通道催化剂与反应器 89

二、横向流催化剂与反应器 90

三、壁面催化剂与反应器 92

四、列阵式催化剂与反应器 94

第五节　其它结构催化剂与反应器的流动与传递 94

参考文献 95



第四章　规则空隙结构催化剂与反应器的制造技术 / 99

**节　蜂窝陶瓷结构基体的制造 99

一、概述 99

二、挤压成型工艺 100

第二节　金属蜂窝结构基体的制造 105

一、金属蜂窝的结构特征 106

二、金属蜂窝结构基体的设计和制造 108

第三节　炭蜂窝结构基体的制造 112

一、整体炭蜂窝的制备 112

二、炭涂层蜂窝陶瓷制备 114

第四节　蜂窝陶瓷结构催化剂与反应器的制造 116

一、蜂窝陶瓷结构上载体层的沉积 117

二、蜂窝陶瓷载体催化活性组分的负载 119

第五节　金属蜂窝结构催化剂与反应器的制造 120

参考文献 122



第五章　规则空隙结构催化剂与反应器的工业催化应用 / 126

**节　催化氧化 126

一、乙烷氧化脱氢 126

二、选择性氧化 128

三、其它催化氧化 130

第二节　催化加氢 132

一、炔烃半加氢制烯烃 132

二、烯烃和芳烃选择性加氢 133

三、醛/ 酮、酸和酯选择性加氢 134

四、杂官能团选择性加氢 135

五、其它催化加氢 135

第三节　合成气转化 137

一、甲烷化：合成天然气 137

二、费-托合成 138

三、甲醇合成及甲醇转化 140

四、其它反应过程 142

第四节　烃或含氧烃重整制合成气 142

一、甲烷重整 142

二、低碳烷烃重整 143

三、石脑油重整 143

四、醇类重整 144

五、自热重整 145

六、其它重整 148

第五节　其它应用 149

一、裂解反应 149

二、水煤气变换反应 150

三、合成氨 150

参考文献 150



第六章　规则空隙结构催化剂与反应器的环境催化应用 / 159

**节　机动车尾气净化159

一、概述 159

二、汽油车尾气净化 161

三、柴油车尾气净化 168

第二节　固定源NOx 的脱除 179

一、概述 179

二、氧化钒基脱硝催化剂 179

三、非钒基脱硝催化剂 182

四、脱硝催化剂的结构与反应器设计 184

第三节　VOCs/ 甲烷催化燃烧脱除 186

一、概述 186

二、VOCs 催化燃烧催化剂 187

三、丙烷等的催化燃烧 188

四、含氯VOCs 的催化燃烧 191

五、甲烷催化燃烧催化剂 193

参考文献 198



第二篇　非规则三维（3D）空隙结构催化剂与反应器 / 209

第七章　非规则3D 空隙结构催化剂与反应器 / 211

**节　非规则3D 空隙结构基体 212

一、纤维基体 213

二、丝网基体 215

三、编织线基体 216

四、泡沫 217

第二节　机遇与挑战 219

参考文献 220



第八章　非规则3D 空隙结构催化剂与反应器的传递现象 / 227

**节　多孔材料内的流体流动 228

一、多孔材料内流体流动机理 228

二、多孔材料内的流动类型 228

第二节　纤维/ 泡沫（Foam/Fiber）结构催化剂“气-固”反应的渗透性能230

一、多孔材料的渗透性能方程 230

二、纤维结构催化剂的渗透性 233

三、泡沫结构催化剂的渗透性 240

第三节　纤维/ 泡沫结构催化剂“气-固”反应的传热性能 242

一、多孔材料强化传热 244

二、纤维结构催化剂的传热性能 245

三、铜纤维包结细颗粒Ni 催化剂在甲烷干重整中的传热性能 249

四、泡沫结构催化剂的传热性能 256

五、泡沫镍结构催化剂在CO 甲烷化中的传热性能 261

第四节　纤维/ 泡沫结构催化剂“气-固”反应的传质性能 265

一、纤维结构催化剂的传质性能 265

二、泡沫结构催化剂的传质性能 268

三、泡沫镍结构催化剂在CO 甲烷化中的传质性能 270

第五节　纤维/ 泡沫结构催化剂含液相反应的传递现象 273

一、纤维结构催化剂含液相反应的传递现象 273

二、泡沫结构催化剂含液相反应的传递现象 274

参考文献 275



第九章　非规则3D 空隙结构催化剂与反应器的制备 / 282

**节　非规则3D 空隙结构基体的传统涂层催化功能化 283

一、分散载体沉积 283

二、催化活性组分负载 286

第二节　非规则3D 空隙结构基体的非涂层催化功能化 287

一、原电池置换沉积法（galvanic deposition，GD） 287

二、湿式刻蚀法 288

三、水蒸气氧化同源衍生法 289

四、水热合成法 290

五、原位生长分子筛法 291

六、原位生长水滑石法 293

七、偶联剂辅助法 296

八、原位合成催化活性组分法 297

第三节　非规则3D 空隙结构基体包结催化剂/ 吸附剂细颗粒技术 300

参考文献 301



第十章　非规则3D 空隙结构催化剂与反应器的应用 / 307

**节　催化氧化 307

一、氧化脱氢 308

二、选择性氧化 309

三、甲烷/ VOCs 催化燃烧 311

四、其它催化氧化 313

第二节　催化加氢 315

一、草酸二甲酯加氢 315

二、CO2 加氢制甲醇 318

三、其它催化加氢 320

第三节　合成气转化 320

一、甲烷化：合成天然气 320

二、费-托合成 321

三、甲醇合成及甲醇转化 323

四、草酸二甲酯、碳酸二甲酯合成 326

第四节　烃和含氧烃重整制合成气 328

一、甲烷重整 328

二、醇类重整制氢 332

三、其它重整 334

第五节　其它应用 334

一、臭氧（O3）分解 334

二、移动制氢与纯化 336

三、空气净化 338

四、超级电容器 340

五、硝酸-苯硝化反应 341

六、催化精馏 342

参考文献 345



第三篇　多级孔结构微纳催化剂与反应器 / 355

第十一章　多级孔结构微纳催化剂与反应器及制备 / 357

**节　多级孔分子筛催化剂 357

一、多级孔分子筛材料概述 357

二、多级孔分子筛材料的合成与性质 358

第二节　多级孔金属氧化物催化剂 364

一、有序介孔过渡金属氧化物 364

二、有序大孔过渡金属氧化物 369

第三节　多级孔碳催化剂376

一、多级孔碳材料概述 376

二、多级孔碳材料的合成方法 376

三、多级孔碳材料的应用研究 381

第四节　展望 382

参考文献 383



第十二章　多级孔结构微纳催化剂与反应器的环境催化应用 / 390

**节　空气净化——光催化氧化 390

一、甲烷/VOCs 脱除 390

二、NOx 和SOx 脱除 393

三、CO 氧化 395

四、臭氧（O3）分解 397

五、烟尘氧化 399

第二节　水处理 399

一、有机物降解 400

二、有机染料降解 402

三、金属吸附 405

第三节　自清洁 407

参考文献 411



第十三章　多级孔结构微纳催化剂与反应器的能源储存与转化应用 / 423

**节　能源存储 424

一、锂离子电池 424

二、超级电容器 428

三、储氢 429

第二节　能源转化 432

一、太阳能制化学品 432

二、太阳能存储与发电 434

三、燃料电池 437

参考文献 439



第十四章　多级孔结构微纳催化剂的CO2 转化与利用 / 444

**节　CO2 热催化转化 444

一、CO2 加氢制甲醇 444

二、CO2 加氢制烯烃及油品：双功能颗粒“微纳接触”的催化调控效应 446

第二节　CO2 光催化转化：人工光合作用及人造树叶 455

一、“纳-微-宏”多级结构的一体化构筑 456

二、人造树叶 456

参考文献 461



索引 / 463