面向“碳中和”的高温催化反应新技术与装备

一、技术内核：绿色高温催化的三重突破

      绿色高温催化技术并非传统催化的简单升级，而是以原子经济性、低碳化、资源循环为核心，通过催化剂设计与反应调控的双重创新，在 400-1200℃区间实现高效低碳转化。其核心突破体现在三个层面：

（1）催化剂材料革新

新型催化剂通过成分设计与结构优化突破传统瓶颈：

热稳定增强：LaNiO₃基稀土催化剂在 700-900℃水蒸气重整制氢中保持长期活性，氢气产率超 90%；

选择性调控：SAPO-34 分子筛催化剂在甲醇制烯烃（MTO）反应中，将乙烯、丙烯选择性提升至 80% 以上；

多功能复合：Fe-Ca-K 基催化剂实现生物质废弃物在 800-1000℃下高效气化，燃气热值达 12-16MJ/m³。

（2）反应路径优化

通过精准调控反应历程实现 “降碳减污" 协同：

煤制烯烃工艺采用该技术后，CO₂排放量降低 30% 以上，焦油类污染物显著减少；

清华大学研发的 “翡翠绿氢" 技术，通过烃类复配与纳米铁基催化，在 700-750℃下实现近零能耗制氢，绿色指数（GI）超 25。

（3）多场耦合调控

温度、压力、流体场的协同优化突破反应平衡限制：

分段感应加热（精度 ±0.5℃）使甲烷干重整反应积碳率低于 0.1mg/(g・h)；

5MPa 压力下 CO₂加氢制甲醇平衡转化率从 10% 提升至 85%。

二、核心应用场景：能源与化工的低碳转型

（一）低碳能源领域

（1）高效制氢技术

高温水蒸气重整：新型催化剂将天然气甲烷化反应温度降低 100-150℃，能源效率提升 15%-20%；

太阳能光热催化：TiO₂-SiC 复合催化剂驱动水分解制氢，能耗较电解水降低 40%-50%。

（2）碳捕集与转化（CCU）

CO₂加氢制甲醇：Cu-ZnO-Al₂O₃基催化剂在 300-400℃下实现 85% 以上选择性，同时降低碳排放；

CO₂重整制合成气：Ni/Al₂O₃-ZrO₂催化剂在 800-1000℃下与甲烷反应，生成高价值化工原料。

（3）固体废弃物能源化

生物质催化气化产出富含 H₂、CO 的燃气，可直接用于发电或化工合成；

V₂O₅-WO₃/TiO₂催化剂在 300-400℃下将垃圾焚烧二噁英分解效率提升至 99% 以上。

（二）可持续化工领域

（1）绿色烯烃制备

MTO 工艺：SAPO-34 催化剂使反应能耗降低 30%，碳排放减少 40%；

生物质制烯烃：ZnCl₂-HZSM-5 复合催化剂在 600-700℃下实现可再生原料替代化石资源。

（2）精细化工绿色合成

对苯二甲酸制备：V₂O₅-TiO₂催化氧化技术使原子经济性达 95%，无含溴废水排放；

苯胺合成：Ni-Pd/Al₂O₃催化加氢替代传统铁还原法，消除固废污染。

三、装备创新：智能化与高效化升级

（一）关键装备技术突破

（1）反应器设计革新

微通道反应器：50-200μm 通道使苯酚羟基化反应时间从小时级缩至秒级；

流化床反应器：“翡翠绿氢" 技术采用的流化床装置具备显著放大优势，解决高温供热难题。

（2）智能化控制系统

AI 驱动优化：深度强化学习动态调节反应参数，转化率波动低于 ±1%；数字孪生平台预测催化剂寿命误差 < 5%；

自主控制架构：FPGA 芯片实现毫秒级响应，TensorFlow 模型支持百万级参数优化，通过 OPC-UA 协议联动工业设备。

（二）工业应用案例

四、挑战与未来趋势

（一）现存技术瓶颈

多场耦合建模需超算资源，计算时间常超 24 小时；

高温高压下传感器精度不足，热电偶测温误差达 ±5℃；

催化剂易受原料杂质毒化，如 “翡翠绿氢" 中催化柴油的杂质问题需攻关。

（二）前沿突破方向

材料创新：开发 Ni@SiO₂核壳自修复催化剂，动态修复高温烧结缺陷；

智能升级：量子计算辅助设计反应路径，降低 H₂O₂生成能 0.2eV；

跨场协同：集成近红外 LED 与电阻加热，实现 ±0.1℃局部温度精准控制；

系统集成：高温固体氧化物电解池（SOEC）与催化工艺耦合，实现 CO₂共电解制合成气。

五、总结

      绿色高温催化反应技术与装备通过材料 - 反应 - 装备 - 智能的全链条创新，已成为 “碳中和" 目标下能源清洁化与化工绿色化的核心支撑。从 “翡翠绿氢" 的突破性制氢路径，到 CCU 技术的碳资源化利用，再到智能化装备的效率跃升，该领域正推动 “能源 - 化工 - 环境" 的协同发展。未来随着量子计算、自修复材料等技术的融合，有望实现催化效率指数级提升与能耗革命性降低，为碳中和提供关键技术保障。

产品展示

      SSC-CTR900 催化高温反应仪适用于常规高温高压催化反应、光热协同化、催化剂的评价及筛选、可做光催化的反应动力学、反应历程等方面的研究。主要应用到高温高压光热催化反应，光热协同催化，具体可用于半导体材料的合成烧结、催化剂材料的制备、催化剂材料的活性评价、光解水制氢、光解水制氧、二氧化碳还原、气相光催化、甲醛乙醛气体的光催化降解、苯系物的降解分析、VOCs、NOx、SOx、固氮等领域。实现气固液多相体系催化反应，气固高温高压的催化反应，满足大多数催化剂的评价需求。

产品优势：

SSC-CTR900催化高温反应仪的优势特点

1)高温高压催化反应仪可实现催化高温<900℃C高压<10MPa反应实验

2)紫外、可见、红外等光源照射到催化剂材料的表面，实现光热协同和光诱导催化;

3)光热催化反应器采用高透光石英玻璃管，也可以采用高压反应管，兼容≤30mm 反应管;

4)可以实现气氛保护、抽取真空、PECVD、多种气体流量控制等功能;

5)可以外接鼓泡配气、背压阀、气液分离器、气相色谱等，实现各种功能的扩展;

6) 采取模块化设计，可以实现光源、高温反应炉、高温石英反应器、高真空、固定床反应、

光热反应等匹配使用;

7) 高温高压催化反应仪，小的占地面积，可多功能灵活，即买即用。