【正文】 以量子化學(xué)為主的理論方法，解釋和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而闡明催化作用的本質(zhì)。近年來理論化學(xué)的快速發(fā)展以及可用于大規(guī)模計(jì)算的超級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使得較精確地處理復(fù)雜的催化體系成為可能。針對(duì)低碳烴優(yōu)化利用的若干前沿問題，我們將采用以量子化學(xué)為主的理論方法，結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)（MD）和Monte Carlo模擬手段，發(fā)展和完善簇模型方法，著重對(duì)低碳烴分子在有關(guān)催化劑體系和特定氧物種上的活化方式、轉(zhuǎn)化途徑以及非變價(jià)稀土等重元素氧化物上活性氧物種形成機(jī)理、穩(wěn)定性和反應(yīng)性能進(jìn)行理論模擬；研究FT合成中鏈的引發(fā)、增長和終止過程，考察活性金屬、載體和助劑中有關(guān)因素對(duì)反應(yīng)機(jī)理和產(chǎn)物分布的影響。 關(guān)聯(lián)均相、多相催化體系與理論模擬的研究結(jié)果，逐步建立低碳烴CH鍵活化以及FT合成碳鏈增長的理論模型，在分子層次上構(gòu)思和設(shè)計(jì)高效的可調(diào)變的新催化材料。基于動(dòng)力學(xué)的方法，結(jié)合催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，求算基元反應(yīng)速率常數(shù)和反應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)；描述反應(yīng)過程、催化劑顆粒傳遞特征以及反應(yīng)過程放大特性，實(shí)現(xiàn)由實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)到工業(yè)規(guī)模的放大；總結(jié)和分析所獲得的實(shí)驗(yàn)和理論數(shù)據(jù)，建立并完善涵蓋一些重要催化體系結(jié)構(gòu)和物化參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，為新型催化劑的研制提供經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。主要研究內(nèi)容1999年立項(xiàng)的“973”“天然氣、煤層氣優(yōu)化利用的催化基礎(chǔ)”經(jīng)近10個(gè)國內(nèi)優(yōu)勢單位和近百名科研人員的共同努力，在天然氣直接轉(zhuǎn)化、合成氣制液體燃料和化學(xué)品以及催化基礎(chǔ)理論等方面取得了顯著進(jìn)展，得到了新近由科技部“973”專家顧問組組成的結(jié)題專家們的高度評(píng)價(jià)。本項(xiàng)目在已有成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步凝煉研究目標(biāo)，瞄準(zhǔn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大需求和本學(xué)科發(fā)展的國際前沿科學(xué)問題進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。主要研究內(nèi)容包括天然氣制備合成氣及大規(guī)模制氫和CO2捕獲基于合成氣和天然氣燃料的高溫燃料電池、合成氣的高效轉(zhuǎn)化、天然氣直接轉(zhuǎn)化等過程的催化基礎(chǔ)科學(xué)問題。1. 甲烷直接高效轉(zhuǎn)化基于國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和對(duì)不同過程的經(jīng)濟(jì)評(píng)估結(jié)果的分析，結(jié)合我國國情和已結(jié)題的“973”項(xiàng)目研究成果，本項(xiàng)目確定的甲烷直接催化轉(zhuǎn)化研究戰(zhàn)略為：. 采用絕熱和氧分布器技術(shù)的甲烷部分氧化反應(yīng)努力完善已有較好積累并可能在近年內(nèi)產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益的采用絕熱和氧分布器技術(shù)的甲烷部分氧化反應(yīng)制備廉價(jià)合成氣過程。在充分研究和認(rèn)識(shí)催化劑活性位和反應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，著重解決該過程中存在的催化材料高溫反應(yīng)條件下不穩(wěn)定和催化劑積炭失活等關(guān)鍵問題，從而克服進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化所面臨的障礙，與膜分離工藝集成，解決大規(guī)模制氫以及CO2捕獲和處理中的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題； 甲烷氧化偶聯(lián)與無氧芳構(gòu)化在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上的耦合在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，深入研究由我國科學(xué)家自行開發(fā)的甲烷無氧活化制芳烴新催化劑體系和具有重要理論和應(yīng)用意義的甲烷氧化偶聯(lián)制乙烯過程，著重于對(duì)無氧芳構(gòu)化與氧化偶聯(lián)反應(yīng)在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上的耦合研究，從理論上確立和完善耦合過程的科學(xué)基礎(chǔ)，發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的甲烷高效轉(zhuǎn)化的新過程，爭取五年內(nèi)通過模試，使該過程中芳烴單程產(chǎn)率達(dá)到有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的15%以上的水平；. 非常規(guī)條件下甲烷直接高效活化轉(zhuǎn)化探索非常規(guī)條件下甲烷直接高效活化轉(zhuǎn)化新理論、新方法和新過程，前期工作主要集中在甲烷低溫等離子活化制高碳烴和甲烷金屬酶催化轉(zhuǎn)化制含氧化合物以及熔鹽和離子液體等介質(zhì)存在下的甲烷活化轉(zhuǎn)化過程；. 發(fā)展基于天然氣或合成氣燃料的高溫燃料電池發(fā)展基于天然氣或合成氣燃料的高溫燃料電池，實(shí)現(xiàn)天然氣的高效利用。通過抗積碳固體氧化物燃料電池催化材料和管型固體氧化物燃料電池催化膜電極制備技術(shù)的研究，形成固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵材料和關(guān)鍵部件的技術(shù)基礎(chǔ)和固體氧化物燃料電池系統(tǒng)集成的核心技術(shù)，為開發(fā)分布式電站和先進(jìn)能源系統(tǒng)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)手段。2. 合成氣高效轉(zhuǎn)化從經(jīng)濟(jì)角度考慮，今后的一段時(shí)間內(nèi)，以甲烷部分取代石油作為化學(xué)工業(yè)原料和燃料首選的有效途徑將是通過制取合成氣（CO+H2）再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化的間接方法，而且合成氣還能方便地從煤炭經(jīng)氣化制得。因此，合成氣高效、定向轉(zhuǎn)化將成為一個(gè)適合國情而又非常迫切需要解決的問題，取得的成果亦將促進(jìn)我國基于煤氣化的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展。在已結(jié)題的“973”項(xiàng)目在合成氣超臨界方法制甲醇和合成氣經(jīng)二甲醚制低碳烯烴的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目研究主要集中在從合成氣出發(fā)：. 直接合成高品質(zhì)液體燃料 研制高活性、高選擇性的雙功能和多功能金屬催化劑體系，運(yùn)用先進(jìn)的反應(yīng)工程技術(shù)，制備無硫、無芳烴和重金屬的高品質(zhì)柴油，并在獲取大量動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，完成反應(yīng)過程的軟件包。研究工作的重點(diǎn)將集中在Co基催化劑體系、多孔材料載體和漿態(tài)床技術(shù)，著力于解決降低合成過程中生產(chǎn)甲烷的選擇性和產(chǎn)物碳數(shù)分布的調(diào)控等問題，力爭在該領(lǐng)域形成有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和工藝過程；. 直接轉(zhuǎn)化制乙醇和其它含氧化合物 這是一個(gè)非常有競爭力的課題。除了眾多復(fù)雜的工程問題以外，相關(guān)過程能否走向工業(yè)化要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題是調(diào)變和研制催化劑體系，發(fā)展新一代催化劑，提高過程的選擇性。這些問題的最終解決依賴于從理論上對(duì)這些轉(zhuǎn)化過程的完整了解?；A(chǔ)研究將針對(duì)上述過程，提煉和聚焦共性的關(guān)鍵科學(xué)問題，發(fā)展催化研究方法，促進(jìn)催化理論，特別是CH活化和高溫催化理論的發(fā)展。二、預(yù)期目標(biāo)總體目標(biāo)和五年的預(yù)期目標(biāo)本項(xiàng)目的總體目標(biāo)是：通過以催化為核心的科學(xué)和技術(shù)的創(chuàng)新，將天然氣和合成氣高效就地轉(zhuǎn)化為高值和便于輸運(yùn)的高品質(zhì)液體燃料和化學(xué)品，并努力將成果推廣到煤轉(zhuǎn)化的相關(guān)過程。在天然氣絕熱過程制廉價(jià)合成氣、基于膜分離的大規(guī)模制氫集成技術(shù)、合成氣制乙醇和低碳混合醇過程和甲烷無氧芳構(gòu)化與氧化偶聯(lián)耦合技術(shù)等方面取得國際領(lǐng)先的技術(shù)并形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)；在甲烷等低碳烷烴的碳?xì)滏I活化理論、費(fèi)托合成的產(chǎn)物調(diào)控機(jī)理和催化反應(yīng)的原位、動(dòng)態(tài)表征方法等方面獲得突破，并得到國際同行的認(rèn)可；在該研究相關(guān)的領(lǐng)域形成在國際上有重要影響并得到國際公認(rèn)的研究團(tuán)隊(duì)。預(yù)計(jì)達(dá)到的分階段主要目標(biāo)有：近期（二年內(nèi)），在現(xiàn)有知識(shí)積累的基礎(chǔ)上，針對(duì)天然氣經(jīng)合成氣間接轉(zhuǎn)化的造氣“龍頭”，開拓采用空氣作為氧化劑，將天然氣部分氧化制合成氣的反應(yīng)分離一體化的嶄新過程，完成工業(yè)放大前期工作；注重解決合成氣的高效轉(zhuǎn)化中涉及的定向轉(zhuǎn)化的科學(xué)問題，逐步完成