计算机辅助催化剂效率因子的模拟计算.pdf

石油炼制与化工控制与优化PETROLEUM PROCESSING AND PETROCHEMICALS2023年10 月第5 4卷第10 期计算机辅助催化剂效率因子的模拟计算董松涛，董天诺，焦博阳3（1.中石化石油化工科学研究院有限公司，北京10 0 0 8 3；2.南京大学软件学院；3.大连理工大学船舶工程学院工业装备结构分析国家重点实验室）摘要：催化剂的形貌对其效率因子具有较大的影响，催化剂中活性中心距边界的距离对效率因子的大小有较大影响，通过计算机辅助技术，可以模拟计算催化剂截面图形上任意点到边界的距离，并基于该模拟计算结果绘制等距点的几何分布。基于等距点的计数和效率因子，得到了催化剂的整体效率因子，从而实现复杂形状催化剂效率因子的模拟计算。关键词：催化剂效率因子模拟计算机辅助催化剂效率因子对催化剂的应用效果具有重要影响，对此，之前有不少有价值的研究和探索1-4,刘奕等5 用效率因子来衡量本征速率和表观速率之间的差别。(-RA)宏=n(RA)本式中：（一RA）宏为宏观反应速率；（一RA）本为本征反应速率；n为效率因子。效率因子表示催化剂受内扩散影响的程度。效率因子越接近1，表明催化剂内外浓度差越小，内扩散影响越小。对于等温颗粒而言，效率因子可以表示为西勒模数的函数，关系为：3(17=(tanh-)式中，为西勒模数。西勒模数是表征内扩散过程对化学反应影响的重要参数，由式（2）可知，可以通过减小西勒模数来增大反应效率因子。西勒模数是扩散距离、反应速率常数和有效扩散系数的函数。(3)=LNDA.ff式中：km为反应速率常数；L为扩散路径长度；DA.ef为有效扩散系数。对于一个给定条件下的反应，反应速率常数km为定值，通过式（3）可知，提高催化剂孔道的有效扩散系数和缩短扩散路径均可减小西勒模数。可通过优化催化剂孔道结构及工艺条件来增加有效扩散系数，或者缩短扩散路径。为了求解催化剂的效率因子，进行了很多有益的探索和研究6-8。这些工作都为计算反应效率提供了很好的思路和方法，但这些方法都是基于规范形状，如果用于一些非规范形状的催化剂，或者实际生产的存在外形变形，甚至内部包含空腔或裂缝的催化剂，就存在一定的局限性。(1)进一步考虑式（3），根号内有两项，有效扩散系数和反应速率常数，如果原材料和制备方法相同，催化剂的孔道结构也相同，则有效扩散系数是一个定值。对于一个特定的反应，在给定的催化剂和反应条件下，反应速率常数也是一个定值，因此，式(3)可简化为：=CXL式中，C为包含了反应速率常数和有效扩散系数的(2)常数。也就是说，对于给定的催化剂和反应条件，西勒模数只与扩散路径的长度有关，更确切地说，仅与距表面的距离有关。因此，对催化剂外形设计而言,并非一定要采用某个特定的形状，而是要在保证物理性能的基础上，使催化剂的活性组分尽km可能地贴近表面。活性中心贴近表面的程度可用其距边界距离与等距点的数量或计数关系曲线来描述。距边界距离与等距点计数之间的关系可通过2种方法获得：对于一些简单、规范的形状，可以基于几何原理来计算；对于复杂的形状，可以采收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 6；修改稿收到日期：2 0 2 3-0 5-2 0。作者简介：董松涛，博士，高级工程师，从事加氢裂化催化剂及技术研究工作。通讯联系人：董松涛，E-mail:。基金项目：国家重点研发计划项目（2 0 2 1YFA1501204）。(4)第10 期用计算机辅助模拟方法得到，比如地图处理软件ArcGIS,图形处理软件python十openCV、FI J I 等。基本方法为：先确定边界，然后计算点到边界的距离，统计距边界等距点的计数。为了提升计算机辅助模拟方法的可靠性，可用规范形状的计算结果来校验模拟结果，对相关参数进行优化，使得模型实现尽可能高的实用性。为了直观表示距离分布情况，用不同的颜色深度来表示点与边界的距离。为了改善催化剂性能，需要找到对催化剂效率影响最大的点。用人工方法可以绘制一些简单形状的距离与等距点数量分布图，如果是更复杂的形状，人工绘制难度极大，也少见文献报道，这就需要采用计算机辅助技术。计算机辅助技术可以得到几乎任意图形的距边界距离与等距点计数的几何分布图。基于这样的分布图，能够直观地找到效率低点的位置，方便下一步进行优化。1实验方法对于一些相对简单的外形，可基于几何原理测定点与边界的距离。假定二维图形的周长或三维图形的外表面积大小与活性点的数量或计数有对应关系，按照从外向里“剥洋葱”的方式，每次减去足够小的“厚度”，则可以持续得到距边界距离和该距离下点的计数关系曲线。计算机辅助模拟方法基本过程为：取一个平面图形（自行绘制或照相）；以像素点为基本单位，找出边界点，获得所有边界点坐标值；选择图中某像素点，并得到其坐标值，计算该像素点与所有边界点的距离，取这些距离的最小值作为该点距边界的距离值，遍历图形内所有像素点；将所有点距边界的距离值进行统计汇总，得到距边界距离与等距点计数数组；将计算得到的距离值进行归一化显示，用颜色的深浅代表点与边界距离的长短。具体工具方面，很多软件都可以实现。如：python十openCV组合，主要基于openCV中的pointPolygonTest这个API功能。也可以采用上文提到的图形或地理软件，或者采用其他具有类似功能的软件来实现。整体效率因子根据文献的反应速率常数和扩散系数计算，或者直接设定式（4)的C值，计算出距边界距离下的催化剂效率因子。对于某种形状的催化剂，通过计算机辅助模拟方法，得到距边界董松涛，等.计算机辅助催化剂效率因子的模拟计算7总式中：n总为总有效率；Na为距边界距离为d单位时的等距点计数；na为距边界距离为d单位时的效率因子。将所有距边界的距离按照大小进行归并，为方便与八位灰度图的绘图要求相匹配，将数据归并到最大为2=2 5 6 个“簇”中，实际计算时，仅需对这些“簇”进行计算，这样就可以采用常用的办公软件实现整体效率因子的模拟和计算。由于采用了模拟计算方法，简化并归并到“簇”，因此得到的效率因子是一个近似结果。距边界距离几何分布图按照灰度的方式表示点距边界的距离，其中颜色越深，距离边界越远，反之亦然。2结果与讨论2.1简单形状催化剂均具有三维形状，直接进行模拟计算的难度较大。大部分催化剂是条柱状，如果假设催化剂长度为无限长，那么距边界距离与等距点计数之间的关系仅仅与截面的形状有关，这样就实现了模拟过程的简化处理。有几种形状相对简单，如圆形、三角形和正方形。圆柱形的截面是圆形，也是目前常用的催化剂形状之一。基于圆的几何特性，一个半径为R的圆形，圆内任一点距圆周的距离有两个极限值：圆周上，距离边界的距离为0，计数数量为周长，即2 元R；圆心，为1个点，距离边界的距离为R；如果圆中其他点距边界的距离为R1，则具有相同距离点的数量为2 元（R一R1），从半径和圆的周长公式可知，距边界距离和等距点的数量为线性关系，如图1所示。其中，由两个坐标轴和直线组成的图形的面积和原图面积相等，其他形状也具有同样特征。采用计算机辅助模拟计算的分布情况如图2所示。123距离及等距点计数曲线，将所有距边界距离的计数和效率因子相乘，取加权平均值，得到整体效率因子。(5)NdNaXnd124石油炼制与化工2023年第5 4卷2元R0图1圆形等距点几何分布2.00015001000500R距边界距离0图2 计算机辅助模拟得到的圆形等距点几何分布比较图1和图2 可见，距边界距离与等距点计数的关系图，采用几何关系时预计是一条直线（图1），采用计算机辅助模拟得到的曲线（图2）整体与图1类似，但是在距离边界较近距离区域计数点较分散，但仍保持了很好的趋势。由此表明，计算机辅助模拟得到的结果与采用几何特性计算的300025002000150010005000图3计算机辅助模拟得到的三角形等距点几何分布由图3和图4可见，三角形等距点的分布曲线中在距边界较近距离区域计数点较分散，而正方形就不存在这一情况，这可能与正方形边界上所有点都是直线，而图形模拟都是按照直角坐标系100距边界距离/像素结果具有良好的一致性。在实际模拟中发现，由于采用图形的像素大小问题，圆形在放大后，边界变成了锯齿形，这可能是距边界较短距离区计数点较分散的原因之一。三角形和正方形的情况与圆形类似，分别如图3和图4所示。50100距边界距离/像素来对图形中的点进行标注，即便是放大后也不会出现“锯齿”有关。将圆形、三角形和正方形的相关特性进行汇总，结果如表1所示。200150300200第10 期董松涛，等.计算机辅助催化剂效率因子的模拟计算2000150010005001250图4计算机辅助模拟得到的正方形等距点几何分布表1简单图形距边界距离的特性形状周长圆形2元R正方形4L三角形a+b+c等边三角形3a50距边界距离/像素距边界最长距离斜率R=2元R2/2元R2元L/2=2L2/4L82S/(a+6+c)(a+b+c)2/2S6/310.396a100150a，b，c 分别为三条边的长度，S为面积a为边长200说明R为半径L为边长表1中斜率用周长与距边界最长距离的比值来计算。可以注意到，这几种简单图形具有一定的共性，如3种形状的距边界最长距离都可以表示为：Lm=(6)C式中：Lm为距边界最长距离；S为截面面积；C为边界长度。由表1可见，形状越偏离圆形，距边界距离与等距点计数关系曲线的斜率也越大。为了提高催化剂的效率因子，希望距边界最长距离更小，周长更大，相应的斜率也更大。又由于距边界最长距离可以用面积和周长来计算，也就是希望边界周长更长，面积更小。上述3种简单形状，距边界最长距离都是“一个点”,究其原因，圆形是等距向内，三角形和正方形具有角平分线相交于一点的特性，决定了只能汇聚到一个点上。而复杂图形就不一定会汇聚到一个点上，另外，距边界距离与等距点计数关系曲线也不再是简单的直线。2S2.2复杂形状简单形状的几何计算和计算机模拟结果对比说明，计算机模拟结果具有较高的可靠性，因此可以对一些相对复杂的图形进行模拟计算。2.2.1圆环形圆环形是在圆形的基础上，中心部分加一个中空的孔道。从圆环形的几何形状可知，两个极限点分别为：距边界距离为0 的点，计数值为内环周长和外环周长之和；距边界距离最长的点，位置在距外环和内环相等的圆周上，计数值为内环周长和外环周长和的一半。距边界最近和最远点间等距点计数曲线为直线，如图5 所示，计算机辅助模拟结果如图6 所示。2元(R+r)0图5 圆环形等距点几何分布(R+r)/2距边界的距离126比较图5 和图6 可见，模拟得到的等距点分布与几何分析特征一致；距边界距离与等距点计数曲线也高度一致，模拟计算得到的分布也是与轴平行的一条线段，在超过距边界距离最长点后等距点计数降为0。2.2.2椭圆形椭圆形有不少的定义方式，取其中的一种形式：a=aXsin 0(7)y=bX cos 0300025002000石油炼制与化工50004 00030002.0001 0000图6 计算机辅助模拟得到的圆环形等距点几何分布2023年第5 4卷50100距边界距离/像素式中：椭圆的短半轴长度为a;长半轴长度为b。椭圆形的面积S=ab，椭圆的周长等于该椭圆短半轴与长半轴长度之和与该椭圆系数的积,计算过程较复杂，不在此述。推测距边界最长距离为短半轴长度。图7 为计算机辅助模拟得到的椭圆等距点几何分布。由图7 可见，距边界距离和等距点计数关系曲线并非一条直线，而是类似于椭圆右上部分的边界曲线。这种分布用几何方法计算的难度较大。此外，模拟结果证实，距边界距离最大值为短轴半径。1502002505000图7 计算机辅助模拟得到的椭圆形等距点几何分布2.2.3长方形长方形相对比较简单。对一个长边长度为L、短边长度为H的长方形，长方形中任一点距离边界的距离有两个极值：长方形周长上，距离边界2(L+H)50距边界距离/像素距离为0，计数数量为周长，即2（L十H)；中线，距边界距离最大值为短边长度的一半，即H/2，计数为2(L一H)；长方形内其他点的距边界距离与计数点均在这两点的连线上，如图8 所示。1001502002(L-H)0图8 长方形等距点几何分布H/2距边界的距离第10 期长方形内部距边界距离与等距点计数的计算机辅助模拟结果如图9 所示。图8 和图9 结果显示，计算机4000300020001 000董松涛，等.计算机辅助催化剂效率因子的模拟计算127模拟结果和几何法得到的结果具有很好的一致性。在距边界距离较短区，没有出现计数点分散的情况。0图9 计算机辅助模拟得到的长方形等距点几何分布2.2.4住任意四边形与长方形不同，任意四边形无法用几何方法2.5002000150010005000图10 计算机辅助模拟得到的任意四边形等距点几何分布需要特别指出的是，任意四边形距边界最长距离可能不是一个点，有可能是一条线或者其他形状。在图10 所示的四边形中，距边界距离与等距点计数曲线基本呈直线。2.2.5心形催化剂截面很少出现心形，但是心形比较特350030002.5002000150010005000图11计算机辅助模拟得到的心形等距点几何分布50确定距边界最大距离，但仍然可以进行计算机辅助模拟计算，结果见图10。50100距边界距离/像素殊，用极坐标很容易绘制，在直角坐标系也可以实现，在此仅作为一个案例进行探讨。图11为计算机辅助模拟得到的心形等距点几何分布。由图11可见，距边界距离与等距点计数曲线在临界点之前基本是一条趋势向下的直线，过了临界点则变成上凹曲线，最终与轴相交。50100距边界距离/像素100距边界距离/像素1501502001502002502502003001282.2.6齿轮形齿轮形偶见作为催化剂截面形状，基本由圆环外套一个等间隔空缺的圆环组成，该形状以函数方式表达难度较大，在此作为一个复杂形状的案例进行探讨。图12 为计算机辅助模拟得到的80005600040002000石油炼制与化工八齿齿轮的等距点几何分布。由图12 可见，齿轮形的距边界距离与等距点计数曲线类似于心形和环形的组合，在临界点之前计数值基本相等,过了临界点后变为上凹曲线，最终与轴相交。2023年第5 4卷0图12 计算机辅助模拟得到的齿轮形等距点几何分布2.33三维形状三维图形计算的难点是如何转化为二维的距边界距离与等距点计数曲线。所有催化剂都是以某种三维形状出现的，纯粹的三维形状的模拟计算难度大，需要将三维形状进行降维处理，以方便计算和模拟。一种简化方法，如前文采用的，将柱状条的条长假定为无限长，不考虑长度的影响，仅考虑截面形状；另外一种简化方法，对一些“规范”的形状，则可基于其几何特性，采用一些简化处理。（1)简单形状（球体、立方体、正四面体）。对于一些简单形状，比如球体，一个半径为R的球体，圆球中任一点距球表面的距离有两个极值：球面上，距球面距离为0，计数数量为球的表面积，即4元R；球心，数量为1，距离圆球外表面的距离为R；若圆球中其他点距表面的距离为R1，则具有相同距离点的数量相当于过该点的球面积，数值为4元(R一Ri）计数。由圆球的表面积公式可知，距球表面距离与等距点计数的平方根呈线性关系。立方体和正四面体具有类似的情况。(2)柱状体。在此假定柱状体为圆柱体，如果横截面为其他形状，特性基本类似。柱状体的模拟结果与柱状体的长度有关，要分为两种情况，一种是柱体半径小于柱长，一种是柱体半径大于柱长，其中前一种情况比较多见。沿轴向过圆柱轴50距边界距离/像素心的横截面是一个长方形，从几何特性分析，距边界距离分布图和长方形类似（见图9）。一个长度为h、半径为r的圆柱体，极限点分别为：圆柱表面上，距离边界距离为0，等距点计数为外表面积S=2元r十2 元rh；中线，距离圆柱表面的最大距离点为圆柱形的半径r。圆柱体内的一点，如果距圆柱体表面的距离为d,则等距点计数为 S肉=2(r一d)(hd)+2元(r一d)。由圆柱体的表面积计算公式可知，距圆柱表面的距离与等距点计数的平方根呈线性关系。2.4催化剂形状对效率因子的影响对于常见的催化剂外形，赵毅等L9采用有限差分方法及松弛迭代法对三维体系的扩散反应方程进行了求解，得到了几种具有典型特征形状催化剂的效率因子。对于复杂截面的条柱形，其三维结构的模拟较复杂。假设催化剂条为无限长，则只需模拟计算截面形状不同的催化剂的效率因子即可，结果如表2 所示。表2 中圆柱形、三叶形、环形、五叶形的形状定义与文献9 一致，包括带孔三叶形和心形的形状，如图13所示。由表2 可见，采用计算机辅助模拟计算得到的效率因子与文献值相比，最大绝对误差为0.0 36，最大相对误差为8.3%，表明两者具有较好的一致性。表2 也提供了文献未提及形状及尺寸下的效率因子，同时提供了距边界最大距离的数值。100150200第10 期截面形状圆柱形圆柱形圆柱形圆柱形圆柱形三叶形三叶形三叶形环形环形五叶形五叶形带孔三叶形带孔三叶形心形心形董松涛，等.计算机辅助催化剂效率因子的模拟计算表2 模拟计算值与文献值比较效率因子外径/mm文献值9 3.01.81.20.60.32.0221.81.22.41.391.9261.3111.81.21.81.2D129距边界最长结构参数模拟计算值距离/mm0.3511.50.4330.4690.5640.5730.7530.8930.5740.5940.6130.6260.7580.7360.6350.6320.8180.7820.5640.5970.6630.7030.7000.8070.5380.648dD=3.00.9D=1.80.6D=1.20.3D=0.60.15D=0.30.506D=2.022;d=1.0110.45D=1.8;d=0.90.3D=1.2;d=0.60.3D=2.4;d=1.20.174D=1.39;d=0.700.538D=1.926;d=0.7390.366D=1.311;d=0.5030.329D=1.8;d=0.9;d1=0.090.219D=1.2;d=0.6;d1=0.060.588D=1.80.392D=1.2dD(a)圆柱形(b)三叶形ddD(c)环形DDD(d)五叶形比较带孔和不带孔三叶形催化剂的效率因子，在同样尺寸条件下，中心带孔催化剂的效率因子比不带孔催化剂提高11.8%（外径1.8 mm），距界面最大距离缩短幅度更大。由前文分析可知：在距边界最长距离的点处开孔，或者将该点转化为向外的边界，对效率因子的提升具有较大的帮助；反之，对原本效率因子较高的靠近边界的点进行改进，效率因子的提升幅度就比较有限。表2 中提到的三叶形、带孔三叶形和五叶形的距边界距离与等距点分布如图14所示。DHdl(e)带孔三叶形图13催化剂截面形状品*图14多叶形形状及距表面距离分布(f)心形130在距边界最长距离相等的条件下，不同形状催化剂的效率因子如表3所示。由表3可见，在距边界最长距离等于0.3mm的情况下，除环形外，其他几种形状催化剂的效率因子很接近，最大值效率因子截面形状外径/mm圆柱形0.6三叶形1.2环形2.4五叶形1.075带孔三叶形1.646心形0.922由表3还可见，在距边界最长距离相等的条件下，催化剂最小外径尺寸由大到小的顺序为：环形 带孔三叶形 三叶形 五叶形 心形 圆柱形，这一顺序也代表催化剂形状的效率。通过改变催化剂的形状，可以用更大外径实现小外径圆柱形同样的性能，对催化剂的工业生产以及使用均有益。距边界最长距离与不同形状催化剂效率因子的关系如图15 所示。由图15 可见，距边界最长距离与效率因子之间的相关性较强，包括环形在内，均存在距边界最长距离越小效率因子越高这一基本规律。1.00.8上国率0.6F0.40.200.20.4 0.60.81.01.21.4距边界最长距离/mm图15 足距边界最长距离与不同形状催化剂效率因子的关系模拟效率因子；一环形效率因子如果将环形的效率因子进行适当校正，校正值取10%2 0%，则可以基于距边界最长距离与效率因子之间的关系，推算环形催化剂的效率因子。在实际应用中，如果是相对较简单的形状，距边界最长距离可以采用式（6)来估算，但形状与规范形状差别越大，相应的偏差也会越大。由于采用了计算机辅助模拟图像处理法，催化石油炼制与化工为0.7 5 5，最小值为0.7 19，这些外形与环形的最大差别是距边界距离和等距点计数曲线是一条随距离增加单调减少的曲线，而环形的是一条与轴平行的直线。表3距边界最长距离相同时不同形状催化剂的效率因子距边界最长文献值9 模拟计算值0.7530.7580.7360.6350.6320.7550.7250.719剂可以具有任意形状，工业生产中即便是出现了不规则形状，包括出现扭曲、变形、裂缝和起泡等情况，也都可以快速、便捷地计算出效率因子，为非规范形状催化剂效率因子的计算开辟了一条可行的通道。3 结 论催化剂的效率因子与其外形有关，特别是与距边界等距点的分布有关，研究了几种简单形状催化剂的几何特性，得到了相应的距边界距离与等距点计数的分布曲线。提出了一种计算机辅助模拟方法，结合图像识别模拟计算法，可获得一个图中所有点距边界距离与等距点计数的关系，经过验证，模拟计算获得的结果和几何分析得到的结果一致，表明计算机辅助模拟方法具有较高的可靠性。采用计算机辅助方法，模拟并给出了环形、椭圆形、长方形、任意四边形、心形和齿轮形的等距点几何分布，基于计算机辅助模拟方法，可以得到更复杂形状的等距点分布曲线。141.62023年第5 4卷结构参数距离/mm0.30.30.30.30.30.3采用计算机辅助模拟计算得到的效率因子与文献结果基本一致，相对误差不大于10%，具有较好的一致性。结果证实，除环形外，距界面最大距离与催化剂的效率因子之间具有较高的相关性。参考文献1朱炳辰，宋维端，房鼎业，等，多孔催化剂效率因子的多组分扩散模型（I）多组分扩散模型及数值计算方法J.化工学报,19 8 4(1):33-402汪忠多孔颗粒催化剂效率因子的近似计算公式J石油化工,19 8 4,13(1)：2 5-30D=0.6D=1.2,d=0.6D=2.4,d=1.2D=1.075,d=0.412D=1.646,d=0.823,d1=0.08D=0.922第10 期3赵毅，葛世英，蔡云升，等。异形催化剂效率因子的数值计算J.华东化工学院学报，19 8 9 15（6）：7 0 6-7 114吴剑，袁霞，王良芥.一维圆柱形催化剂效率因子的解析解J.湘潭大学自然科学学报，2 0 0 4，2 6（1）：6 8-7 05 文刘奕，杨占林，姜虹，等.加氢催化剂多尺度设计研究进展J .当代化工，2 0 2 1,5 0（5）：119 3-119 96吴燕翔，谭天恩，王良恩，等，多孔催化剂内二级反应反应物浓度分布及催化剂效率因子J福州大学学报：自然科学董松涛，等.计算机辅助催化剂效率因子的模拟计算版，19 9 9,2 7（5）：9 5-9 97吉久明，孙龙祥，特征函数法求解甲醇合成催化剂效率因子J .华东理工大学学报：自然科学版，19 9 6 2 2（1）：118-12 28Wang Fumin,Xin Feng,Liao Hui,et al.Effectiveness factorforirregular catalyst pellet J.Transactions of TianjinUniversity,2001,7(2):118-1229赵毅，蔡云升，葛世英，等.异形催化剂组成的滴流床压强降和颗粒内扩散J.高校化学工程学报，19 8 9，3（3）：6 5-7 4131COMPUTER-AIDED SIMULATION OF CATALYST EFFICIENCY FACTORDong Songtao,Dong Tiannuo,Jiao Boyang(1.SINOPEC Research Institute of Petroleum Processing Co.,Ltd.,Beijing 100083;2.Software Institute,Nanjing University;3.School of Naval Architecture,Liaoning Engineering Laboratory for Deep-Sea Floating Structures,Dalian University of Technology)Abstract:The shape of catalyst has a great influence on the efficiency factor,and the distancebetween the active center and the boundary in the catalyst has a great influence on the efficiency factor.The geometrical distribution of the distance from the catalyst active centers to the boundary was plottedbased on the value of the distance,which could be simulated by computer-aided techniques to calculatethe distance from any point on the cross-sectional graph of the catalyst to the boundary.Based on thecounting of isometric points and efficiency factors,the overall efficiency factor of the catalyst wasobtained,and the simulation of the efficiency factor of complex morphological catalysts was realized.Key Words:catalyst;efficiency factor;simulation;computer-aided物也是人们熟知的具有很高OER活性且较为经济的催化简讯日本利用离子液体合成了用于高效锂-空电池的钙钛矿氢氧化物催化剂CoSn(OH)（C SO)是高效析氧反应（OER)催化剂，对于开发下一代锂-空电池不可或缺。目前合成CSO的方法复杂且耗时。一个国际研究小组利用离子液体，在2 0 min内一步法合成了纳米晶体CSO,且具有优异的OER催化性能，可以促进高能密度电池的制造。在投入商用之前，这些电池需提高能效，增加循环寿命，需要将充电/放电过程氧的氧化还原反应过电位降低。为了解决这些问题，需要一种合适的催化剂来加速电池内部的析氧反应（OER），对于提高储能电池的性能,OER是水分解化学反应中的关键一步。为了加快金属-空气电池的OER反应，稀有且昂贵的贵金属氧化物，如氧化钉（IV）（R u O z）和氧化铱（IV）（I r O z）通常被用作催化剂。过渡金属钙钛矿型氧化物和氢氧化材料，其中的CoSn(OH)。（C SO)是一种有前景的OER催化剂，而目前合成CSO的方法耗时（需要超过12 h），且步骤繁琐。日本芝浦工学院的一个研究团队最近取得了突破，他们采用一步法，在短短2 0 min内成功地合成了CSO。该研究小组采用了材料合成领域最尖端的非高温反应离子液方法，该研究成果于2 0 2 3年4月17 日发表在SustainableEnergy&Fuels杂志第11期。X射线衍射分析结果表明，将前体溶液pH调整为10 12,合成的CSO具有很高结晶度；透射电子显微镜观测结果显示CSO晶体呈立方体，尺寸为10 0 30 0 nm。最后，该研究小组利用电化学方法研究了CSO的OER催化性能，发现合成的CSO在10 mA/cm的电流密度下，过电位为35 0mV,相对于可逆氢电极，pH为12 时合成的CSO样品比市售的RuO电位低10 4mV，由此说明CSO比RuO略好。总之，这项研究首次介绍了一种简便、高效的CSO合成方法，这一方法使得CSO在锂-空电池中的应用切实有效，为下一代电池开发开辟了新的途径。靳爱民摘译自ScienceNews，2 0 2 3-0 6-2 6