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近日，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化研究室在雙催化劑體系的宏觀空間排布優(yōu)化理論研究方面取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果以Theoretical optimization of bed packing arrangement in cascade Dual-Catalyst system with side reactions為題，發(fā)表于化學(xué)工程領(lǐng)域期刊Chemical Engineering Science（論文全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ces.2024.120500）。

作為能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，雙催化劑體系的引入為溫室氣體的捕集轉(zhuǎn)化提供了新的路徑，也為可再生能源燃料及化學(xué)品合成提供了全新思路。同時(shí)，雙催化劑體系憑借其非均相的特點(diǎn)，可用于固定床等連續(xù)流反應(yīng)器中，在相關(guān)領(lǐng)域具有較大的工業(yè)應(yīng)用潛力，因此被廣泛應(yīng)用于石油化工、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化、合成氣轉(zhuǎn)化及其它能源化工領(lǐng)域中，尤其在一氧化碳/二氧化碳加氫生成甲醇/烯烴/芳烴等高值產(chǎn)品方面受到廣泛關(guān)注。

然而以往采用雙催化劑體系的相關(guān)研究往往聚焦于微觀上催化劑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或宏觀上反應(yīng)條件的優(yōu)化，略過(guò)了介于兩者之間的反應(yīng)器尺度上物理化學(xué)過(guò)程存在的空間異質(zhì)性（圖1）。因此，在反應(yīng)器尺度上，雙催化劑的空間排布優(yōu)化問(wèn)題仍缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)。該問(wèn)題直觀反映在相關(guān)研究中，兩種催化劑在反應(yīng)器內(nèi)往往局限于簡(jiǎn)單的雙層排布或隨機(jī)混合裝填，缺乏對(duì)其它雙催化劑排布方式的深入探究，極大削弱了雙催化劑體系的反應(yīng)潛力，同時(shí)局限了雙催化劑體系的進(jìn)一步工業(yè)化應(yīng)用。

圖1. 雙催化劑體系中存在的空間排布問(wèn)題

基于此現(xiàn)狀，該研究構(gòu)建了結(jié)合遺傳算法及機(jī)器學(xué)習(xí)方法的排布優(yōu)化理論模型，實(shí)現(xiàn)了不同反應(yīng)參數(shù)組合下雙催化劑的快速排布優(yōu)化。研究進(jìn)一步構(gòu)建了催化劑替換差（DS）作為雙催化劑體系的新型描述符，量化了不同空間位置上采用對(duì)應(yīng)催化劑種類的必要程度（圖2）。相關(guān)模型及描述符為進(jìn)一步的研究提供了理論工具。

采用上述理論工具的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，兩種催化劑的副反應(yīng)分別具有不同的作用。在底物-中間產(chǎn)物-目標(biāo)產(chǎn)物的理想模型中，當(dāng)副反應(yīng)僅發(fā)生在S0（底物-中間產(chǎn)物對(duì)應(yīng)催化劑）而不發(fā)生在S1（中間產(chǎn)物-目標(biāo)產(chǎn)物對(duì)應(yīng)催化劑）上時(shí)，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)排布呈現(xiàn)S0-S1-S0高分散結(jié)構(gòu)，符合傳統(tǒng)的“越近越好”理論；而逐步引入S1上的副反應(yīng)時(shí)，這種規(guī)律結(jié)構(gòu)將逐漸瓦解，同時(shí)最優(yōu)床層長(zhǎng)度區(qū)間迅速縮小，對(duì)總反應(yīng)時(shí)間的控制提出了更高的要求。此外，對(duì)于非規(guī)律排列，探索了基于替換差分析的簡(jiǎn)化排列方式，同時(shí)最大程度保留了優(yōu)化效果。

圖2. 催化劑替換差的計(jì)算方式

在此基礎(chǔ)上，該研究搭建了完整的雙催化劑體系空間排布優(yōu)化及簡(jiǎn)化策略框架（圖3），填補(bǔ)了雙催化劑在反應(yīng)器尺度的空間排布優(yōu)化理論方面的空白。其核心包括：（1）劃分優(yōu)化排列及簡(jiǎn)單雙層排列的適用區(qū)間，用于確定是否需要采用優(yōu)化排列；（2）需要采用優(yōu)化排列時(shí)，通過(guò)替換差特征判斷是否符合S0-S1-S0規(guī)律結(jié)構(gòu)；（3）無(wú)規(guī)律結(jié)構(gòu)時(shí)，采用基于替換差值的簡(jiǎn)化方法。

圖3.雙催化劑體系空間排布優(yōu)化及簡(jiǎn)化策略框架

上述工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等的資助。