华南理工大学余皓教授团队——用于整合热化学过程的双功能颗粒：不只是催化

特邀综述

In Press, Corrected Proof

Bi-functional particles for integrated thermo-chemical processes: Catalysis and beyond (Open Access)

Hanke Li（李函珂）, Chengxiong Dang（党成雄）, Guangxing Yang, Yonghai Cao, Hongjuan Wang, Feng Peng, Hao Yu（余皓）

DOI: 10.1016/j.partic.2020.12.002

Keywords: Bi-functional particles; Thermo-chemical processes; Catalysis; Separation; Energy conservation; Process integration and intensification

背景·导读

鉴于双功能颗粒材料相对于单一功能材料具有天然优势，其在物理、化学、生命科学等诸多领域皆得到了广泛的研究和应用。在化学领域中，双功能催化剂是一类常见的双功能材料，其通常包含两种不同的活性位点，如金属位点和酸位点、金属位点和碱位点以及酸位点和碱位点。这使得此类催化剂可用于多种化学反应，包括但不限于加氢脱氧反应、氢解反应、加氢聚合反应、酯化反应、酯交换反应、环加成反应、选择性还原反应和生物质升级反应。在电催化反应中，双功能催化剂亦指对析氢反应和氧还原反应皆有催化活性的材料。

图1 双功能颗粒示意图

然而，从过程工程及单元操作的角度来看，上述双功能催化剂的应用场景仍局限于单一化学反应或单一操作单元。在持续推进节能减排的背景下，迫切需要通过过程整合及强化来降低能耗和减少污染物排放，故合成及制备可用于多个过程或单元操作的材料得到了大量关注。例如，同时具有催化剂和吸附（吸收）剂属性的颗粒材料可用于整合反应和分离单元，从而实现反应效率的提升和污染物减排；同时具有催化剂和加热属性的颗粒材料则可用于整合反应和加热单元，从而极大地降低能耗，提高过程的能量效率。无论从宏观尺度还是微观尺度来看，此类材料均将两种不同的功能整合在单个不可分割的颗粒上。相较于将不同的具有单一功能的材料物理混合而实现的“双功能材料”，此类材料中各个功能部分接触更为紧密，从而提供了更佳的传质和传热性能，因此具有更高的反应活性。此外，由于此类材料通常以固体颗粒形式存在，故可将其称为“双功能颗粒”，如图1所示。

内容·简介

基于上述背景，华南理工大学余皓教授团队详细总结了近年来双功能颗粒在“反应+分离”和“反应+节能”两大场景中的应用。文章首先介绍了双功能颗粒在整合反应与分离过程中的应用，包括吸附（吸收）强化制氢过程和整合吸附（吸收）的催化转化过程；其后介绍了双功能颗粒在整合反应与加热中的应用，即电热或光热辅助的非均相催化过程，如图2所示。文章最后对双功能颗粒的应用进行的总结与展望，认为现阶段此类材料的应用主要受限于高性能材料的开发、大规模制备方法的研究以及反应器和过程优化三个方面。尽管如此，双功能材料在可预见的未来仍展现出了巨大的应用前景，有望为气候变化、环境污染等人类现阶段亟待解决的问题提供解决方案，亦有助于使当前能源和工业格局向着绿色和可持续发展进行重塑。

图2 双功能颗粒的应用场景

通讯作者简介

余皓

Hao Yu

Professor

教授

华南理工大学余皓教授从事双功能颗粒材料的研发工作达十余年，围绕生物质转化和高值化利用，发展了钴、镍、钙基用于吸附（吸收）增强重整、甲烷重整、碳酸钙转化、VOC去除等多种双功能颗粒。相关研究成果发表在Energy Environ. Sci., ACS Catal., Appl. Catal. B: Envrion., J. Catal., Chem. Eng. J., Carbon, ACS Sustainable. Chem. Eng., J. Energy Chem., Green Energy & Environ., Chem. Eng. Sci. 等期刊上。

供稿：原文作者

编辑：《颗粒学报》编辑部

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