1. 高品质纳米钛白粉的研究及结构化成型纳米二氧化钛由于具有良好的化学稳定性、高比表面积、热稳定性、无毒性等特点，并易于与负载金属间产生SMSI效应，在催化工业中得到了广泛应用，诸如：火电厂尾气脱硝处理、VOCs(挥发性有机化合物)催化燃烧处理、柴油车尾气排放控制等。以火电厂的烟气脱硝SCR催化剂为例，纳米级钛白粉作为催化剂载体，占催化剂粉体的80‒90%，总成本的40‒50%，是SCR脱硝催化剂的重要组成。但是目前全球只有日本和欧洲的少数厂家可以生产高品级纳米钛白粉。在我国，目前应用于催化剂工业的纳米钛白粉尚未完全国产化，这是烟气SCR脱硝催化剂等环保催化剂的价格居高不下的主要原因之一。大多数国内SCR脱硝催化剂是通过引进技术、设备和纳米钛白粉粉体等原料，其后自行压缩制作蜂窝式、板式等催化剂，并没有完全掌握催化剂中所有成分的制作及依据不同燃料尾气进行配比的技术经验和诀窍。总体上说，SCR脱硝催化剂在国内基本还处于“来料加工”的状态(即使是国内市场份额较大的东方凯特瑞、无锡龙源等企业)。我们研究室通过探索钛白粉的物化性质、成型性及催化性能三者之间的关系，尝试从科学角度去构建适用于SCR脱硝催化剂等环保催化剂的纳米钛白粉的制备关键技术。进而在此基础上，制备高品级的纳米钛白粉，包括钨钛，硅钛，钒钛等一系列产品，达到国外同类产品技术水平。同时通过探讨不同因素在蜂窝状脱硝催化剂成型过程中的影响，制备工业级别的蜂窝状催化剂，从而最终改变目前国内烟道气脱硝催化剂尚处于的“来料加工”状态，掌握完全自主的知识产权。在研究中，我们采用改进的水热合成法，在较为温和的条件下(< 100°c的低温、常压下)，以偏钛酸为原料出发，制备具有高比表面积和良好耐热稳定性的纳米钛白粉(图-1)。同时在制备钛白粉的过程中，充分考察浆料的ph值、杂质含量、助剂(钨、硅)等的添加、煅烧温度等对最终产品的影响。另一方面，在催化剂成型中，我们对添加剂种类、加入顺序、加入量和操作条件等对催化剂机械性能和活性等的影响进行了彻底的研究。在充分考虑泥团的酸碱，硬度，塑性等多种指标的前提下，采用独自的多段搅拌技术制备了蜂窝状催化剂(图-2)。在纳米钛白粉粉体及成型性研究的同时，我们对其作为载体或催化剂在脱硝、脱臭及光化学催化中的应用也开展了研究，例如电厂、大型锅炉、垃圾焚烧厂、船舶(新型轻质波纹板催化剂)等大型设备的烟气SCR脱硝催化剂、VOCs(挥发性有机化合物)催化燃烧催化剂等，以及小型工厂、自动车、民用等SCR脱硝、VOCs催化燃烧等。图-3为纳米氧化钛在VOCs催化燃烧中的应用，图-4为工业级火电厂脱硝用纳米氧化钛挤出型蜂窝状SCR催化剂，图-5为工业级柴油车尾气脱硝用涂层式蜂窝状催化剂。与商业钛白粉的耐热性对比(900°C 9 h in air)    不同掺杂物质对纳米氧化钛比表面积的影响图-1 高比表面积和良好耐热稳定性的新型纳米钛白粉2. 新型金属整体式催化剂载体(PCT专利WO2005/089939A1，日本专利2011-31162) 催化剂的活性组份、结构化载体和反应器三者集成化的思想，已成为当前催化领域重要的且被逐渐接受的新思维。从宏观尺度出发研制的具有结构化的整体式催化剂，由于糅合了催化剂设计和反应器设计，从而具有传质传热好、床层压降低、紧凑小型、工程放大简单等优点，有利于提高催化反应的活性和选择性等。在大气环保和催化燃烧等气固相反应中已得到广泛应用，在多相反应中也显示了巨大的潜力。但传统的涂层式整体式催化剂，因活性组分涂层与基材物性(堇青石或金属合金)的较大差异，使得涂层的粘附稳定性不高，易剥离的问题尚未得到完善解决。针对传统涂覆法制备的金属基体整体式催化剂(MMC)的活性涂层易剥离的瓶颈，以及近年来发展的非涂覆式MMC的比表面积小、孔道难以调控的缺点，我们利用多孔阳极氧化铝材料(PAA)的金属自生长氧化铝膜与金属基体间具有高度粘附性的特点，在保持其有序孔骨架结构的前提下，通过“阳极氧化-扩孔-水热反应-焙烧”的方法，对其孔道结构和化学特性进行改性修饰，制备一种具有大比表面积的新型非涂覆式MMC。在材料合成过程中，结合阳极氧化和扩孔处理对多孔膜的几何参数的调变，解析水热反应中拟薄水铝石层的形成机制以及由此带来的封孔效应，创新性地利用金属自生长和原位相变技术在MMC上实现大范围尺度可调的规则双孔道结构。在此基础之上，我们通过探索PAA催化剂的构效关系，获得既利于分散和反应又有利于扩散传质的孔道特征，发展了一套面向具体反应可控合成MMC的新方法。改性PAA膜与金属基材间紧密的一体化构造，实现了反应场上热量的快速供给与转移。高度可塑性的金属基材使得催化剂可以具有复杂的立体结构，确保了装置的低压损和小型化(图-6)。采用Al/Fe–Cr–Ni Alloy/Al覆层铝材制备的高温型PAA载体，实现了快速通电加热，从室温到1000°C仅需数秒，大幅提升了系统启动性和响应性(图-7)。另外，开发了金属中间扩散层技术和微小龟裂技术用于改善PAA膜在剧烈机械或热冲击下的韧性和稳定性，在40000次通电加热1000°C – 室温急冷的循环测试中，未发现PAA膜的剥落。在研究PAA载体的同时，对其在环保和新能源领域，尤其是对系统压损、启动性、热应答性/热耦合、轻质化及小型化等具有严格要求的体系中的应用，均开展了长期的研究，例如自动车尾气脱硝处理，VOCs/CO/NH3的催化燃烧，甲烷/甲醇/乙醇/DME/煤油的重整制氢等等。3. 贵金属替代型高效催化燃烧(含尾气污染的催化燃烧治理)目前在工业催化燃烧中，主要以贵金属为活性组分，多使用颗粒状充填反应器或堇青石蜂窝状反应器。主要问题是：① 贵金属催化剂性能优异，但价格昂贵；② 设备较为庞大，能量利用率低和运转费用过高，从而严重限制了向中小型企业的普及应用。贵金属替代催化剂和高效节能的紧凑型反应器的开发成为该领域的主要发展趋势。我们对于有机挥发性气体VOCs、CO及NH3的催化燃烧净化，使用多种类型的催化剂进行了研究。主要包括：传统的粒状负载催化剂、负载型改性PAA整体式催化剂、Bulk型复合金属氧化物催化剂、改性TiO2催化剂、含碳素的非贵金属催化剂等。目前为止，所开发的Bulk型Cu-Co系、Cu-Mn系、Fe-Mn系等催化剂，在芳香族(苯、甲苯、二甲苯)的燃烧上接近贵金属催化剂。在CO、NH3、乙酸乙酯、己烷等的燃烧上达到或超越贵金属催化剂(表-1)。当前，我们在整合PAA改性修饰技术和复合金属氧化物技术的基础之上，正在从事负载非贵金属的PAA催化燃烧催化剂的开发，并把它用于化工供热源及大气污染的燃烧治理(VOC、NH3、CO、HC等)。充分利用金属整体式催化剂在可塑性和传热性上的优异性能，通过合理的催化剂成型及反应器设计，提高放/吸热耦合性，实现高效节能和小型化的目的(诸如采用Multi-tube型、Wall-type型、多层同心圆等反应器设计，在平板状催化剂的两侧分别设置燃烧反应和换热介质)。同时，在结合金属整体式催化剂特性的基础之上，根据具体的用途对反应体系进行合理的工艺设计。例如对于低浓度大风量尾气的处理，采用“浓缩–燃烧”一体化设计，并在反应启动阶段采用通电启动催化反应(图-8)。图-8 大中小型VOCs催化氧化处理系统4. 多功能型重整制氢催化剂的研究 (日本专利2011-31162) 碳氢化合物的重整制氢主要用途为PEFC燃料电池的制氢及H2和CO化工原料的制备。但是由于重整制氢多为强吸热反应，反应体系对吸/放热的耦合有严格要求，另外PEFC制氢的启动性和小型化等也被较多地关注。2004年起，我们启动了多功能重整制氢催化剂的开发(甲烷、DME、甲醇、乙醇、煤油等)，为降低催化剂成本，使用低价Ni为主要活性成分(图-9)。为解决镍催化剂中常出现的镍氧化、结焦、烧结等失活问题，在孔道控制的基础之上，通过Nickel Aluminate中间层及痕迹量贵金属添加等技术的开发，制备了具有较高寿命并且可以自活化•自复活的AAO镍催化剂。在与商业催化剂（SÜD–CHEMIE的RUA和FCR-4，新日本石油的RUA-2）的对比测试中，该催化剂表现出更加优异的性能。使用都市煤气13A为原料，3000h静态寿命测试及500回DSS模式测试(Daily startup and shutdown)均取得良好结果(图-10)。基于板式通电加热型PAA催化剂的水蒸气重整制氢的测试结果表明，采用阶段式通电加热，系统启动时间可从传统的外加热式的1h缩短为10min，从而为实现PEFC的快速启动提供了有力的技术保障。多用途是该催化剂的重要特点。除天然气的水蒸气重整之外，在甲醇、乙醇、灯油的水蒸气重整，甲烷直接部分氧化重整，甲烷二氧化碳重整等体系中均取得了良好结果。迄今为止，在非贵金属催化剂中，多功能型重整催化剂尚未见报道。目前的主要工作是：1) 催化剂的进一步改良优化；2) 以流程集成化和强化传热为目的，进行Multi-tube或Wall-type型反应器的设计(重整–燃烧一体化) (图-11)；3) 整合非平衡式“CO2吸附–重整”一体化设计，超越CO的SHIFT反应的平衡限制，例如采用CO2吸附技术，或催化膜反应器等；3) 生物质原料(生物质甲醇、乙醇、甲烷等)的重整制氢，及CO2的重整等研究；5. 整体式催化剂的新用途在上述研究的基础之上，我们根植于材料化学工程国家重点实验室和化学工程与技术国家一级重点学科，进行跨专业跨学科的合作，充分发挥整体式催化剂的特点，逐步拓展其在能源和环保等领域中的应用，例如：1) 金属基催化剂的放电电极和催化反应效果的叠加2) 再生式环控生保系统二氧化碳的Sabatier反应3) 加氢、裂解、C1及C2合成4) 水污染治理上的应用5) 传统化工领域的技术革新，例如，在催化精馏中实现流道设计用的塔填料与反应用的催化剂的一体化构造，用以实现装置的小型化、降低床层压降以及解决催化精馏常出现的液泛等问题。

揭示了沸石分子筛中硼中心的配位环境与催化丙烷脱氢性能的构效关系，率先提出双羟基硼物种作为丙烷脱氢的活性中心 一、项目分类 重大科学前沿创新 二、成果简介 开展沸石分子筛催化材料研究，阐明了惰性碳-氢键低温活化转化的机理，国际上率先提出分子围栏催化剂设计的新方法，克服了甲烷低温氧化中高甲烷转化率和高甲醇选择性不可兼得的领域难题，在70℃下突破性实现17.2%的甲烷转化率和92%的甲醇选择性；揭示了沸石分子筛中硼中心的配位环境与催化丙烷脱氢性能的构效关系，率先提出双羟基硼物种作为丙烷脱氢的活性中心，并在纯硅分子筛骨架中构筑具有此类硼中心开发出硼硅分子筛新材料，催化丙烷有氧脱氢中丙烷转化率达到41.6%，烯烃产物选择性超过80%（效率达到传统分子筛负载多聚硼材料的近十倍），为天然气和页岩气的高效利用提供了理论基础和技术支撑。 上述相关技术完成了实验室的小试研究，指标达到国际先进水平。准备进一步推进中。

本发明涉及一种仿生有机胍催化剂合成医用生物降解材料的工艺方法，特别是医用生物降解性聚酯类聚合物合成的新工艺方法，其特点是使用无毒、无金属的仿生醋酸六丁基胍和醋酸四甲基二丁基胍为催化剂进行环酯类单体(L-丙交酯，D，L-丙交酯，乙交酯，ε-己内酯)的开环聚合反应，从而合成高度生物体安全性医用生物降解材料。这一新工艺方法避免了使用目前广泛使用的具有细胞毒性的辛酸亚锡类催化剂。本工艺采用本体聚合法，聚合反应具有受控、活性聚合反应特点，不仅可合成均聚物，并且能用于合成具受控组成的嵌段共聚物。本工艺无三废污

本成果来自国家科技计划项目，获国家发明专利授权。本发明产品具有超顺磁性，成品体积可变，易于降解，吸油后废油回收率高、超疏水强亲油的特点。产品具有很好的吸油能力，所吸附油的重量是产品重量的10~15倍。其基本组成单位约为100~200μm，根据实际要求可组合成不同大小的吸油单元，在磁场的引导下能进入人或其他材料无法进入的地方，如微小空间或有毒害场所；成品的体积也可做大，以满足吸附海洋石油污染等大型处理场所的需求；材料的原料来源于自然界，具有易于被微生物降解的特点。在吸附油污之前材料会漂浮在水面上，吸附油污后，在磁力的引导下，拖动油污到便于人工或机械收集的地方

本成果来自有重大应用前景的横向项目，它以现有的碳纳米管、活性炭等碳材料为原材料，通过化学的方法成功的制备了碳-铁合金纳米粒子的复合材料，饱和磁化强度均在50 emu/g以上，最高可达90 emu/g，其稳定性和磁性能均高于现有的碳-Fe3O4复合材料，达到国际领先水平。具有优异的电磁屏蔽、微波吸收等性能。主要应用：电磁屏蔽、介电材料、吸波隐身、高分子材料添加剂、医学上造影剂、药物载体等。具有非常广阔的应用前景和市场前景。

磁性液体密封是磁性液体最重要的应用之一，它是一种非接触式的液体密封，同传统的机械密封相比，具有密封性能好、泄漏率低、摩擦力矩小、寿命长等特点，在许多场合具有不可替代的作用。本项目系统研究了磁性液体的制备技术，建立了磁性液体密封设计理论与方法，不仅成功的解决了一般工况下的磁性液体密封问题，而且在特殊工况下的磁性液体密封方面取得了许多创新性成果。

磁性液体密封是磁性液体最重要的应用之一，它是一种非接触式的液体密封，同传统的机械密封相比，具有密封性能好、泄漏率低、摩擦力矩小、寿命长等特点，在许多场合具有不可替代的作用。本项目系统研究了磁性液体的制备技术，建立了磁性液体密封设计理论与方法，不仅成功的解决了一般工况下的磁性液体密封问题，而且在特殊工况下的磁性液体密封方面取得了许多创新性成果，具体如下： （1）发现了影响复杂工况下磁性液体密封启动力矩的主要因素，建立了复杂工况下磁性液体旋转密封启动力矩的表达式，解决了磁性液体旋转密封低温启动力矩大的难题，该项技术成功的应用于我国先进雷达等现代军事装备上。 （2）揭示了磁性液体静密封中磁性颗粒的凝聚规律；发现了磁性液体静密封的破坏机理；建立了大直径磁性液体静密封设计方法和密封结构；解决了大直径（指密封直径大于1.5m）的静密封问题。该成果应用于核爆炸关键设备上。 （3）揭示了磁性液体往复密封的失效机理；建立了往复轴磁性液体被携带量公式及往复轴磁性液体密封耐压公式；发明了往复轴磁性液体密封的设计方法和新结构，解决了真空镀膜机等设备的往复密封难题。 （4）制得了多种不同基载液的磁性液体，特别是制得了高性能耐酸耐碱的氟碳化合物基磁性液体，拓宽了磁性液体的应用领域。至今为止，国内外二百多家单位使用研制的氟碳基磁性液体。 北京交通大学磁性液体研究所设计的磁性液体密封装置，密封介质为气体或部分液体，泄漏率小于10-12Pa•m3•S-1，单级耐压能力一般为0.2个大气压，温度适用范围-40℃~200℃,寿命可达10年。在国内首次解决了罗茨真空泵CJ-150、CJ-300、CJ-600和单晶硅炉TDR-62、TDR-70、TDR-80及美国8600型等型号的磁性液体密封问题；多次修复美国、德国等国家生产的设备上的磁性液体密封装置；为总装和国防科工委设计了数十种具有特殊要求的磁性液体密封结构。 目前，磁性液体研究所已具有了国内最完备最先进的磁性液体制备和磁性液体密封的加工生产设备，能够生产出性能和国外产品相媲美甚至超越的各种磁性液体及磁性液体密封装置。生产的密封产品已被国内外上百家单位所采用，广泛用于单晶硅炉、真空镀膜机、甩带机、军用雷达、坦克等器件上。和国内外同类产品相比，已处于国内领先，国际先进的水平。在特殊工况磁性液体密封方面，处于国际领先的水平。

课题组使用一种名为角分辨光电子能谱的强大表面物理实验工具研究了反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te4。理论预测和此前的实验表明，这种最近合成的材料是第一个理想的反铁磁拓扑绝缘体，其天然解理面应该是绝缘的。但是，课题组通过研究数据表明，它的表面能带形成了一个完整的X形——这证明该表面以不寻常的，拓扑保护的方式导电。这个数据推翻了此前的实验结论，使磁性拓扑体系的研究迈入一个新的阶段。课题组指出，这种奇异的行为可能是由于表面磁性或结构重构引起的。文中的第一性原

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