2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——生物質(zhì)氣化技術(shù)的催化劑設(shè)計考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述催化劑在生物質(zhì)氣化過程中發(fā)揮的主要作用，并舉例說明如何通過催化劑選擇性地促進目標(biāo)氣化產(chǎn)物（如H?）的生成。2.比較負載型催化劑和均相催化劑在生物質(zhì)氣化應(yīng)用中的優(yōu)缺點。在氣化過程中，載體通常需要具備哪些關(guān)鍵性質(zhì)？3.簡述H?-TPR（程序升溫還原）和H?-TPD（程序升溫脫附）兩種表征技術(shù)的基本原理，并說明它們分別能提供哪些關(guān)于催化劑信息。4.積碳是影響生物質(zhì)固定床氣化催化劑性能的重要問題。請列舉至少三種有效的抗積碳催化劑設(shè)計策略，并簡要說明其原理。5.選擇性催化還原（SCR）技術(shù)常用于脫除生物質(zhì)氣化過程中產(chǎn)生的NOx。請簡述SCR反應(yīng)的基本原理，并說明催化劑在其中的作用。二、論述題（每題15分，共30分）6.在設(shè)計用于生物質(zhì)氣化生成合成氣的催化劑時，如何平衡催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性？請結(jié)合具體實例或反應(yīng)機理進行闡述。7.非貴金屬（如Fe,Co,Ni基）催化劑在生物質(zhì)氣化領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的貴金屬催化劑相比，它們具有哪些優(yōu)勢？在使用過程中可能面臨哪些挑戰(zhàn)，以及相應(yīng)的應(yīng)對策略有哪些？三、設(shè)計與應(yīng)用題（25分）8.假設(shè)你需要設(shè)計一種用于小型戶用生物質(zhì)氣化爐，旨在提高碳轉(zhuǎn)化率和H?/CO比值，并減少焦油生成的催化劑。請闡述你的設(shè)計思路，包括：*選擇的催化劑主要組成（活性組分、載體、助劑等）及其選擇理由。*至少兩種關(guān)鍵的制備方法，并說明選擇的原因。*預(yù)期該催化劑在性能上的優(yōu)勢，以及可能需要考慮的穩(wěn)定性或成本問題，并提出初步的解決方案。試卷答案一、簡答題1.答案：催化劑通過降低氣化反應(yīng)的活化能，加快反應(yīng)速率。它可以促進目標(biāo)反應(yīng)（如C-C裂解生成H?和CO，水煤氣變換反應(yīng)生成H?和CO?）的進行，同時抑制副反應(yīng)（如過度氣化生成CO?，或生成焦油和炭黑）。例如，添加鎳基催化劑可以顯著提高碳轉(zhuǎn)化率和H?/CO比值，這表明催化劑促進了水煤氣變換反應(yīng)（CO+H?O<=>CO?+H?）。解析思路：考察對催化劑基本作用的理解。首先要回答催化劑如何影響反應(yīng)速率（降低活化能）。其次要回答如何影響特定反應(yīng)，即如何促進目標(biāo)反應(yīng)（降低目標(biāo)反應(yīng)活化能或選擇性吸附反應(yīng)物/中間體）和抑制副反應(yīng)（提高副反應(yīng)活化能或選擇性吸附副反應(yīng)中間體/產(chǎn)物）。必須結(jié)合具體例子（如Ni基催化劑促進水煤氣變換）來支撐論點。2.答案：負載型催化劑將活性組分分散在載體上，優(yōu)點是活性組分濃度高、不易流失、可調(diào)節(jié)比表面積和孔結(jié)構(gòu)，成本相對較低；缺點是活性組分與載體的相互作用可能影響活性，且傳質(zhì)可能受限。均相催化劑活性組分以分子或離子形式溶解在溶劑或反應(yīng)介質(zhì)中，優(yōu)點是反應(yīng)物易于接觸活性位點，傳質(zhì)阻力小，反應(yīng)速率快；缺點是活性組分易流失，通常需要更高的反應(yīng)溫度，且難以回收和重復(fù)使用，成本可能較高。載體在氣化過程中需具備高比表面積、合適的孔結(jié)構(gòu)（有利于活性組分分散和反應(yīng)物擴散）、良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、高機械強度（抗磨損）以及適宜的表面酸性或堿性（提供活性位點）。解析思路：考察對兩種催化劑類型的比較。需要分別列出優(yōu)缺點，并進行對比。負載型催化劑的優(yōu)缺點與載體性質(zhì)密切相關(guān)，因此需要回答載體的關(guān)鍵性質(zhì)要求?；卮饝?yīng)全面，涵蓋活性、穩(wěn)定性、成本、應(yīng)用等方面。3.答案：H?-TPR的基本原理是將樣品在氫氣氣氛中程序升溫，通過檢測放出的氫氣量隨溫度的變化，來確定催化劑上可還原金屬氧化物的種類、分散度和還原溫度。它主要用于評價催化劑中活性金屬（如NiO,CoO,Fe?O?等）的還原行為。H?-TPD的基本原理是將樣品在氫氣氣氛中預(yù)還原后，再在氬氣氣氛中程序升溫，通過檢測脫附過程中放出的氫氣量隨溫度的變化，來確定催化劑表面吸附的物理吸附氫（判斷比表面積和分散度）和化學(xué)吸附氫（判斷酸性位）。它主要用于評價催化劑的比表面積、分散度以及表面酸性。解析思路：考察對兩種常用表征技術(shù)的原理和信息的理解。H?-TPR和H?-TPD都需要解釋其基本過程（升溫、氣氛、檢測物），并明確指出它們測定的對象（H?-TPR是金屬氧化物還原，H?-TPD是表面吸附氫），以及這些信息能反映催化劑的哪些性質(zhì)（活性、分散度、酸性）?；卮鹦枨逦?、準(zhǔn)確。4.答案：抗積碳催化劑設(shè)計策略包括：①添加酸性位點，如沸石或酸性氧化物（Al?O?,SiO?），用于促進積碳的氣化脫除；②引入儲氧能力強的助劑，如CeO?,MnO?，通過氧化作用將積碳轉(zhuǎn)化為氣態(tài)產(chǎn)物；③設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)，如高比表面積、大孔道結(jié)構(gòu)，限制積碳在表面的生長和擴散；④選擇不易與積碳反應(yīng)或不易覆蓋活性位點的載體材料。解析思路：考察對解決積碳問題的策略的理解。需要列舉至少三種不同的策略，并簡要說明每種策略的原理。策略應(yīng)涵蓋通過改變反應(yīng)條件（酸性位點促進氧化）、利用材料特性（儲氧體氧化積碳）、優(yōu)化結(jié)構(gòu)（限制生長擴散）等多個角度。5.答案：SCR反應(yīng)的基本原理是選擇性的還原劑（通常是H?O或NH?）在催化劑的作用下，將氣相中的NOx（主要是NO）轉(zhuǎn)化為N?和H?O（當(dāng)還原劑為H?O時）或N?和H?O（當(dāng)還原劑為NH?時，即NH?-SCR）。催化劑的作用是提供高效的活性位點，促進還原劑與NOx分子之間的反應(yīng)，同時抑制副反應(yīng)（如還原劑過度氧化或生成N?O等）。典型的SCR反應(yīng)（NH?-SCR）在中等溫度下（200-400°C）進行，反應(yīng)式為：4NO+4NH?+O?<=>4N?+6H?O。解析思路：考察對SCR基本原理和催化劑作用的掌握。首先要準(zhǔn)確寫出SCR反應(yīng)的基本原理（還原劑+NOx+催化劑→N?+H?O等）。其次要說明催化劑的作用（提供活性位點，促進反應(yīng)，抑制副反應(yīng)）。對于NH?-SCR，可以補充典型的反應(yīng)溫度范圍和化學(xué)方程式，以增加準(zhǔn)確性。二、論述題6.答案：設(shè)計催化劑時，活性是基礎(chǔ)，要求催化劑能高效進行目標(biāo)反應(yīng)。選擇性是指催化劑能優(yōu)先生成目標(biāo)產(chǎn)物，抑制不希望的副反應(yīng)，例如在氣化中提高H?/CO比值，減少焦油和炭黑生成。穩(wěn)定性則包括熱穩(wěn)定性（抗燒結(jié)、抗崩塌）、化學(xué)穩(wěn)定性（抗中毒、抗積碳）和使用壽命。這三者之間往往存在平衡與制約。例如，提高活性的金屬組分（如Ni）可能容易積碳失活，或?qū)е逻^度氣化生成CO?，降低選擇性。為提高選擇性，可能需要添加助劑或選擇特定載體，但這有時會犧牲一定的活性。為提高穩(wěn)定性，可能需要改變催化劑結(jié)構(gòu)或添加保護層，但這可能影響反應(yīng)物擴散，進而影響活性。因此，優(yōu)秀的設(shè)計是在特定應(yīng)用需求下，通過合理選擇活性組分、載體、助劑及優(yōu)化制備方法，盡可能地協(xié)同提升這三方面的性能。例如，設(shè)計Ni/Al?O?催化劑時，可以通過調(diào)節(jié)Al?O?的晶型（γ-Al?O?vsδ-Al?O?）和孔結(jié)構(gòu)，在保證Ni高分散度的同時，利用Al?O?的酸性調(diào)控水煤氣變換反應(yīng)，實現(xiàn)高活性、適宜的H?/CO比和較好的穩(wěn)定性。解析思路：考察對催化劑設(shè)計核心要素之間復(fù)雜關(guān)系的理解。首先必須明確指出活性、選擇性、穩(wěn)定性各自的重要性及定義。其次要論述這三者之間普遍存在的權(quán)衡關(guān)系（trade-off），舉例說明提高某一性能可能對其他性能產(chǎn)生的影響。最后，關(guān)鍵在于提出如何在設(shè)計中實現(xiàn)平衡，即通過系統(tǒng)設(shè)計（組分、載體、助劑、制備方法）來協(xié)同優(yōu)化。需要結(jié)合具體實例（如Ni/Al?O?）來支撐論述，展示對實際催化劑設(shè)計的理解。7.答案：非貴金屬催化劑（如Fe,Co,Ni基）相比貴金屬催化劑（如Pt,Pd,Rh）的主要優(yōu)勢在于成本低廉、資源豐富、抗硫性能通常更好（許多非貴金屬對硫中毒更耐受）。它們可以利用生物質(zhì)中豐富的鐵、鈷、鎳等元素，符合綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展的理念。部分非貴金屬催化劑（如Fe基）在熱解氣化過程中原位形成，具有獨特的反應(yīng)性能。然而，非貴金屬催化劑也面臨挑戰(zhàn)：①活性通常低于貴金屬，尤其是在較低溫度下；②選擇性可能較差，例如Fe基催化劑容易生成CO；③穩(wěn)定性可能不如貴金屬，易發(fā)生燒結(jié)、積碳或失活；④對反應(yīng)條件（溫度、氣氛）更敏感。應(yīng)對策略包括：①優(yōu)化制備方法，如采用納米技術(shù)提高分散度，或通過添加助劑（如K,Ca,Ce等堿土金屬或稀土元素）來調(diào)變電子結(jié)構(gòu)、促進活性、抑制積碳、提高選擇性；②設(shè)計特殊載體或結(jié)構(gòu)，如高比表面積材料、多級孔結(jié)構(gòu)、異形結(jié)構(gòu)等，以改善傳質(zhì)和暴露活性位點；③開發(fā)原位形成或再生技術(shù)。解析思路：考察對非貴金屬催化劑優(yōu)缺點的全面認識，并能提出針對性的解決方案。優(yōu)勢部分要突出成本、資源、抗硫性等。劣勢部分要具體，如活性、選擇性、穩(wěn)定性等指標(biāo)相對不足。解決方案要具體可行，涉及制備方法（納米化、助劑）、結(jié)構(gòu)設(shè)計（孔道、形貌）和技術(shù)（原位、再生）等多個層面。三、設(shè)計與應(yīng)用題8.答案：*設(shè)計思路：*主要組成：活性組分：選擇Ni作為主要活性組分，因為它在氣化反應(yīng)中具有較高的活性和一定的CO選擇性。載體：選擇高比表面積的活性炭或石墨烯，利用其高孔隙率和導(dǎo)電性，并提供大量的吸附位點，同時可能對H?/CO比值和焦油有一定調(diào)控作用。助劑：添加K?O或CaO等堿金屬/堿土金屬氧化物。K可以提供強堿性位點，促進水煤氣變換反應(yīng)，提高H?/CO比值；Ca可以與生物質(zhì)中的堿金屬形成復(fù)合堿，抑制其催化焦油裂解生成小分子氣態(tài)污染物，并可能抑制積碳。*制備方法：方法一：浸漬法。將Ni鹽溶液負載到預(yù)處理過的活性炭/石墨烯上，經(jīng)干燥、高溫焙燒還原得到催化劑。優(yōu)點是操作簡單，成本較低。方法二：原位生長法。在活性炭/石墨烯載體表面，通過控制反應(yīng)條件（如氣氛、溫度）原位合成Ni納米顆粒。優(yōu)點是Ni顆粒與載體結(jié)合更緊密，分散度可能更好?？梢圆捎霉步n法將Ni鹽和助劑鹽（KNO?,Ca(NO?)?）一起負載，再進行還原。*預(yù)期優(yōu)勢與問題及解決方案：*優(yōu)勢：該催化劑預(yù)期具有較快的碳轉(zhuǎn)化率（Ni提供高活性），較高的H?/CO比值（K促進變換反應(yīng)），以及一定的抗焦油和抗積碳能力（Ca抑制堿金屬毒化和積碳，高比表面積利于氣體擴散）。Ni/碳載體成本相對較