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膨脹型防火涂料的有利之一就是使用較輕的重量和相對較薄的涂層就能獲得特定時間的隔熱效果。在性能穩定可靠的情況下，涂層越薄越有優勢。 一、項目分類 重大科學前沿創新 二、成果簡介 隨著社會經濟的發展和科技的進步，鋼結構建筑越來越多地涌現。鋼結構具有很多獨特的優點，如高強、高韌、抗震、輕質、價廉、體積小、不消耗土木、可工廠預制、建筑工期短等等。然而不耐溫也是鋼結構建筑的致命弱點。這就需要耐火性能高、施工方便、裝飾效果好的鋼結構防火涂料。而膨脹型防火涂料的有利之一就是使用較輕的重量和相對較薄的涂層就能獲得特定時間的隔熱效果。在性能穩定可靠的情況下，涂層越薄越有優勢。但在實際應用中發現超薄型防火涂料的防火性能不是很理想，而薄型防火涂料施工方便，價格較超薄型的低，既能滿足裝飾性需要，又能達到建筑設計防火規范要求，是鋼結構防火涂料的發展方向。 本項目包括水性室外薄涂型鋼結構防火涂料的配方及制備工藝。 技術特點： 1.與鋼構件有優良的結合力； 2.達到一定溫度時迅速膨脹形成絕熱保護層，在預期的耐火極限內可有效保護鋼結構； 3.在鋼構件受熱發生允許變形時，絕熱保護層不破壞，仍能保持原有的隔熱保護作用； 4.可根據使用鋼構的環境調節配方，改變涂層厚度及飾面效果； 5.生產工藝流程便捷，易實現異地生產； 6.安全無毒、經濟合理。 產品的主要技術指標： 產品技術指標均達到或超過了國家有關規范的要求，滿足國家標準（GB14907-2002）要求。

聚丙烯是丙烯的聚合物，縮寫為PP。它的相對分子質量一般為15萬~55萬。聚丙烯最早 于1957年由意大利Montecatin公司首先開始工業化生產，現在已經成為發展速度最快的塑料產 品，屬于五大通用塑料之一，其產量僅次于聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)，列第三位。聚丙烯 的熔融溫度為170℃，密度為0.91克/厘米3 ，具有高強度、硬度大、耐磨、抗彎曲疲勞、耐熱溫 度達到120℃、耐濕和耐化學性優良、容易加工成型、價格低廉的優點，而成為被廣泛運用的 通用高分子材料。聚丙烯的主要缺點有二個，一為成型收縮率大，并由此可能導致材料尺寸穩 定性差，容易發生翹曲變形；二是低溫易脆斷。此外，同傳統工程塑料相比，聚丙烯還存在楊 氏模量低、耐熱性差、易老化等缺點。 晶須是具有規整截面，長徑比從l0～1000甚至更高，僅是玻璃纖維的千分之一的極其細微 的單晶纖維材料。其晶體結構完整、內部缺陷較少，其強度和模量均接近完整晶體材料的理論 值，是目前發現的固體的最強形式。由于晶須本身結構纖細，且具有高強度、高模量、高長徑 比等優異的力學性能，加入樹脂之中，能夠均勻分散，起到骨架作用，形成聚合物-纖維復合 材料，起到顯著的顯微增強效果。晶須的存在可有效地傳遞應力，阻止裂紋擴展，可以使聚合 物強度增大，顯著提高力學強度。

1. 成果簡介預制缸套然后鑄造或裝配是采用鋁合金制造汽車發動機缸體的一種主要成形工藝。傳統的缸套都是用鑄鐵制造，鑄鐵耐磨性好，但熱導率較低，鋁合金導熱率是鑄鐵的 4 倍，采用鋁合金制造缸套的優勢是迅速將發動機燃燒產生的熱量傳遞出去，避免機油焦化，從而顯著提高發動機的升功率（功率密度）。過共晶 Al-Si 合金具有熱膨脹系數小、耐磨性好、熱導率高、高溫性能好等特點，是制造發動機缸套的理想材料。圖 1 擠壓鑄造件              圖 2 機加工后零件                 圖 3 初生硅和共晶硅分布 采用常規鑄造方法成形過共晶鋁硅合金，疏松傾向大，強度和韌性低，而且顯微組織中初生硅的尺寸難以控制。擠壓鑄造是液態金屬在較高外加壓力（百兆帕）作用下凝固成形的一種先進鑄造工藝，鑄件在低速下充型，高壓下凝固，內部致密，組織細小，并能通過熱處理強化。 清華大學成功開發了過共晶鋁硅合金缸套擠壓鑄造成形技術，具有非常好的發展潛力和產業化應用前景。2 應用說明采用鋁合金制造發動機缸套甚至全鋁發動機缸體是國外主要汽車企業開發高性能發動機的重要技術之一。采用噴射沉積加擠壓或鍛造工藝已有相關產品，但由于工序多、流程長造成生產率低、成本高。清華大學開發的過共晶鋁硅合金缸套擠壓鑄造成形技術具有短流程、近凈成形、優質、高效、節能等優點，目前正在與汽車發動機制造企業合作，進行技術評價與應用。 申請國家發明專利 1 項。3 效益分析缸套作為汽車發動機生產中的一個重要配件，其用量大，產品和技術相對獨立，原材料充足，設備投資小，適于中小企業給發動機廠配套，特別是適合于已經在給發動機廠配套鋁合金活塞等部件的企業發展這一技術和產品，易于在現有客戶渠道基礎上豐富產品種類，同時較高的技術含量可以避免被簡單模仿和惡性競爭。

1. 成果簡介預制缸套然后鑄造或裝配是采用鋁合金制造汽車發動機缸體的一種主要成形工藝。傳統的缸套都是用鑄鐵制造，鑄鐵耐磨性好，但熱導率較低，鋁合金導熱率是鑄鐵的 4 倍，采用鋁合金制造缸套的優勢是迅速將發動機燃燒產生的熱量傳遞出去，避免機油焦化，從而顯著提高發動機的升功率（功率密度）。過共晶 Al-Si 合金具有熱膨脹系數小、耐磨性好、熱導率高、高溫性能好等特點，是制造發動機缸套的理想材料。??2 應用說明采用鋁合金制造發動機缸套甚至全鋁發動機缸體是國外主要汽車企業開發高性能發動機的重要技術之一。采用噴射沉積加擠壓或鍛造工藝已有相關產品，但由于工序多、流程長造成生產率低、成本高。清華大學開發的過共晶鋁硅合金缸套擠壓鑄造成形技術具有短流程、近凈成形、優質、高效、節能等優點，目前正在與汽車發動機制造企業合作，進行技術評價與應用。 申請國家發明專利 1 項。3 效益分析缸套作為汽車發動機生產中的一個重要配件，其用量大，產品和技術相對獨立，原材料充足，設備投資小，適于中小企業給發動機廠配套，特別是適合于已經在給發動機廠配套鋁合金活塞等部件的企業發展這一技術和產品，易于在現有客戶渠道基礎上豐富產品種類，同時較高的技術含量可以避免被簡單模仿和惡性競爭。4 合作方式技術轉讓或合作開發。5 所屬行業領域先進制造。

近日，天津大學趙廣久教授團隊在鈣鈦礦材料的激發態化學機制研究方面取得突破性進展。相關研究成果發表在《Chemical Engineering Journal》（IF: 10.65）上。該團隊首次合成了一種新型非鉛雙鈣鈦礦材料，并調控晶格畸變，調控了激發態載流子動力學，從而顯著促進了光致發光量子產率的提升，對進一步的材料開發和應用有很強的指導意義。 研究背景 在過去的十年中，關于鈣鈦礦材料的開發和應用一直在光伏電池和發光領域得到了極大的發展。鈣鈦礦納米晶體的與其塊狀材料相比，具有許多優勢，例如鈣鈦礦納米晶具有高的光致發光量子產率，顏色可調，同時易于大規模制備柔性器件。因此，鹵化鈣鈦礦納米晶體已成為研究人員的重要研究對象。 不幸的是，鉛的毒性限制了鹵化鉛的進一步應用鈣鈦礦納米晶體。最近報道了一些無鉛鈣鈦礦納米晶體的合成，但是其很難構造3D的鈣鈦礦結構，導致性能不佳。鉛基鈣鈦礦的出色光學性能NC由獨特的3D鈣鈦礦結構和ns2電子軌道，使其具有優異的電荷載流子行為。同時，幾種雙鈣鈦礦納米晶體 3D結構取得了一些進展。但是有兩個問題仍然存在。一種是開發更新穎的雙納米晶體來配合設備的應用；另一種是使用高精度光譜探索更深層次的激發態動力學。因此，更有效的合成技術改造和更深刻的載流子動力學研究是目前最有效的方法，這可提高無鉛鈣鈦礦納米晶體的應用前景。 研究基礎 在前期的研究中，團隊在鈣鈦礦光電材料設計與機理研究方面取得了一系列的原創性成果。前期我們團隊通過離子摻雜誘導相轉變，從非活性相轉變為活性相，使得發光效率得到大幅度提高 (Angew. Chemie. Int. Ed. 2019, 58, 11642.) ; 在認識到晶型對發光調控的重要影響后，我們進一步地通過離子摻雜控制晶格變形程度進而調控發光峰的寬度，可以在實現高發光效率的同時隨意控制發光峰寬度的窄化和拓寬(Chem. Eng. J. 2020, 125367; J. Lumin. 2020, 117045; 2D Mater. 2020, 7, 031008.)；最后我們為了開發多手段實現構象調控，我們通過引入不同的左右旋手性基團，從而實現手性的傳遞和放大(J. Mater. Chem. C. 2020, 8, 5673. Phys. Chem. Chem. Phys. 2020, 22, 17299.)。 研究進展 在這項工作中，趙廣久團隊創新地開發了高效光致發光鈉鉍雙鈣鈦礦Cs2NaBiX6（X = Cl，Br）納米晶體。該團隊通過離子摻雜控制晶格畸變，促進自陷態激子的捕獲，實現了超快的熱載流子弛豫；同時，DFT理論計算分析表明離子摻雜后的晶體的能帶結構從間接帶隙轉變為直接帶隙，促進了電子空穴的輻射復合；此外離子摻雜也降低了晶體的體相缺陷，減少了缺陷產生的非輻射復合。以上三者的貢獻綜合作用從而大幅度促進了光致發光產率的提升，結果離子摻雜后的雙鈣鈦礦Cs2NaBiCl6 NCs可顯示約16％的明亮寬帶光致發光PLQY，高于迄今為止報告的單組分鈣鈦礦發光材料（2-10％）。我們的研究為未來的新材料的開發和應用提供了指導。

項目成果/簡介:近日，天津大學趙廣久教授團隊在鈣鈦礦材料的激發態化學機制研究方面取得突破性進展。相關研究成果發表在《Chemical Engineering Journal》（IF: 10.65）上。該團隊首次合成了一種新型非鉛雙鈣鈦礦材料，并調控晶格畸變，調控了激發態載流子動力學，從而顯著促進了光致發光量子產率的提升，對進一步的材料開發和應用有很強的指導意義。 研究背景 在過去的十年中，關于鈣鈦礦材料的開發和應用一直在光伏電池和發光領域得到了極大的發展。鈣鈦礦納米晶體的與其塊狀材料相比，具有許多優勢，例如鈣鈦礦納米晶具有高的光致發光量子產率，顏色可調，同時易于大規模制備柔性器件。因此，鹵化鈣鈦礦納米晶體已成為研究人員的重要研究對象。 不幸的是，鉛的毒性限制了鹵化鉛的進一步應用鈣鈦礦納米晶體。最近報道了一些無鉛鈣鈦礦納米晶體的合成，但是其很難構造3D的鈣鈦礦結構，導致性能不佳。鉛基鈣鈦礦的出色光學性能NC由獨特的3D鈣鈦礦結構和ns2電子軌道，使其具有優異的電荷載流子行為。同時，幾種雙鈣鈦礦納米晶體 3D結構取得了一些進展。但是有兩個問題仍然存在。一種是開發更新穎的雙納米晶體來配合設備的應用；另一種是使用高精度光譜探索更深層次的激發態動力學。因此，更有效的合成技術改造和更深刻的載流子動力學研究是目前最有效的方法，這可提高無鉛鈣鈦礦納米晶體的應用前景。 研究基礎 在前期的研究中，團隊在鈣鈦礦光電材料設計與機理研究方面取得了一系列的原創性成果。前期我們團隊通過離子摻雜誘導相轉變，從非活性相轉變為活性相，使得發光效率得到大幅度提高 (Angew. Chemie. Int. Ed. 2019, 58, 11642.) ; 在認識到晶型對發光調控的重要影響后，我們進一步地通過離子摻雜控制晶格變形程度進而調控發光峰的寬度，可以在實現高發光效率的同時隨意控制發光峰寬度的窄化和拓寬(Chem. Eng. J. 2020, 125367; J. Lumin. 2020, 117045; 2D Mater. 2020, 7, 031008.)；最后我們為了開發多手段實現構象調控，我們通過引入不同的左右旋手性基團，從而實現手性的傳遞和放大(J. Mater. Chem. C. 2020, 8, 5673. Phys. Chem. Chem. Phys. 2020, 22, 17299.)。 研究進展 在這項工作中，趙廣久團隊創新地開發了高效光致發光鈉鉍雙鈣鈦礦Cs2NaBiX6（X = Cl，Br）納米晶體。該團隊通過離子摻雜控制晶格畸變，促進自陷態激子的捕獲，實現了超快的熱載流子弛豫；同時，DFT理論計算分析表明離子摻雜后的晶體的能帶結構從間接帶隙轉變為直接帶隙，促進了電子空穴的輻射復合；此外離子摻雜也降低了晶體的體相缺陷，減少了缺陷產生的非輻射復合。以上三者的貢獻綜合作用從而大幅度促進了光致發光產率的提升，結果離子摻雜后的雙鈣鈦礦Cs2NaBiCl6 NCs可顯示約16％的明亮寬帶光致發光PLQY，高于迄今為止報告的單組分鈣鈦礦發光材料（2-10％）。我們的研究為未來的新材料的開發和應用提供了指導。

在傳統的半固態鋁合金觸變成形技術中，電磁攪拌和電磁感應重熔加熱的功率較大、效率很低、能耗很高，半固態坯料的液相分數不能太高，成形非常復雜零件毛坯時遇到困難，而且坯料的鋸屑、坯料重熔加熱時的流失金屬、澆注系統和廢品不能馬上回用，增加了觸變成形的生產成本。因此，如何進一步降低生產成本成為當今半固態鋁合金成形技術應用的最重要的主題。 在國家九五、十五和十一五“863”高技術發展計劃的支持下，我校研制開發的先進鋁合金半固態流變成形技術已經成熟，成功地流變成形了汽車零件，如圖1所示。與一般半固態鋁合金觸變成形相比，該半固態鋁合金流變成形的生產工藝流程大大縮短，設備投資也將大幅度減少，半固態流變成形零件的生產成本將會明顯降低。目前，該項目已經通過國家“863”計劃組織的專家委員會的驗收。 由于半固態鋁合金流變成形不易發生噴濺、裹氣少、凝固收縮小，流變成形的零件毛坯致密，能夠熱處理強化，因此采用本半固態流變成形技術成型的鋁合金零件的力學性能遠遠超過鋁合金壓鑄件的力學性能，滿足國家技術標準。而且，流變成形的零件毛坯不存在宏觀偏析，力學性能更均勻；可以實現近終化成形，大為減少機加工量，降低加工成本；易于實現機械化或自動化操作，生產效率高；減輕了模具的熱沖擊，提高了模具的壽命。該技術具有電磁攪拌和均熱能耗低，漿料表面氧化程度輕，輸送方便，漿料的固相分數可以靈活控制，便于成形各種復雜零件，而且半固態鋁合金漿料流變成形后的澆注系統、廢品將直接在本車間回用，降低原料成本。與傳統的半固態鋁合金觸變成形相比，半固態鋁合金流變成形的生產工藝流程大大縮短，設備投資也將大幅度減少，半固態流變成形零件的生產成本將會明顯降低。 該技術以北京科技大學擁有的中國發明專利00 1 09540.4為支撐，具有原創性及完全的知識產權。 目前，鋁合金半固態流變成形應用主要集中在汽車零件和耐壓閥體等零件，如汽車制動總泵殼、油道、輪轂等，也可以應用于其他要求較高的零件毛坯，如航空、航天、摩托車和電子行業的鋁合金零件等。鋁合金半固態流變成形零件毛坯不但具有優良的力學性能。

本項目在高性能鎂合金以及鎂基復合材料的制備和成型工藝、變形行為、微觀結構、力學性能、阻尼特性、摩擦磨損行為、機械加工、表面處理等方面開展了大量的系統研究，開發了輕質、高比強、高比剛并同時具有高阻尼的新型鎂合金及鎂基復合材料。這些新型鎂合金及其復合材料具有廣泛的應用前景。

1. 高品質納米鈦白粉的研究及結構化成型納米二氧化鈦由于具有良好的化學穩定性、高比表面積、熱穩定性、無毒性等特點，并易于與負載金屬間產生SMSI效應，在催化工業中得到了廣泛應用，諸如：火電廠尾氣脫硝處理、VOCs(揮發性有機化合物)催化燃燒處理、柴油車尾氣排放控制等。以火電廠的煙氣脫硝SCR催化劑為例，納米級鈦白粉作為催化劑載體，占催化劑粉體的80?90%，總成本的40?50%，是SCR脫硝催化劑的重要組成。但是目前全球只有日本和歐洲的少數廠家可以生產高品級納米鈦白粉。在我國，目前應用于催化劑工業的納米鈦白粉尚未完全國產化，這是煙氣SCR脫硝催化劑等環保催化劑的價格居高不下的主要原因之一。大多數國內SCR脫硝催化劑是通過引進技術、設備和納米鈦白粉粉體等原料，其后自行壓縮制作蜂窩式、板式等催化劑，并沒有完全掌握催化劑中所有成分的制作及依據不同燃料尾氣進行配比的技術經驗和訣竅。總體上說，SCR脫硝催化劑在國內基本還處于“來料加工”的狀態(即使是國內市場份額較大的東方凱特瑞、無錫龍源等企業)。我們研究室通過探索鈦白粉的物化性質、成型性及催化性能三者之間的關系，嘗試從科學角度去構建適用于SCR脫硝催化劑等環保催化劑的納米鈦白粉的制備關鍵技術。進而在此基礎上，制備高品級的納米鈦白粉，包括鎢鈦，硅鈦，釩鈦等一系列產品，達到國外同類產品技術水平。同時通過探討不同因素在蜂窩狀脫硝催化劑成型過程中的影響，制備工業級別的蜂窩狀催化劑，從而最終改變目前國內煙道氣脫硝催化劑尚處于的“來料加工”狀態，掌握完全自主的知識產權。在研究中，我們采用改進的水熱合成法，在較為溫和的條件下(< 100°c的低溫、常壓下)，以偏鈦酸為原料出發，制備具有高比表面積和良好耐熱穩定性的納米鈦白粉(圖-1)。同時在制備鈦白粉的過程中，充分考察漿料的ph值、雜質含量、助劑(鎢、硅)等的添加、煅燒溫度等對最終產品的影響。另一方面，在催化劑成型中，我們對添加劑種類、加入順序、加入量和操作條件等對催化劑機械性能和活性等的影響進行了徹底的研究。在充分考慮泥團的酸堿，硬度，塑性等多種指標的前提下，采用獨自的多段攪拌技術制備了蜂窩狀催化劑(圖-2)。在納米鈦白粉粉體及成型性研究的同時，我們對其作為載體或催化劑在脫硝、脫臭及光化學催化中的應用也開展了研究，例如電廠、大型鍋爐、垃圾焚燒廠、船舶(新型輕質波紋板催化劑)等大型設備的煙氣SCR脫硝催化劑、VOCs(揮發性有機化合物)催化燃燒催化劑等，以及小型工廠、自動車、民用等SCR脫硝、VOCs催化燃燒等。圖-3為納米氧化鈦在VOCs催化燃燒中的應用，圖-4為工業級火電廠脫硝用納米氧化鈦擠出型蜂窩狀SCR催化劑，圖-5為工業級柴油車尾氣脫硝用涂層式蜂窩狀催化劑。與商業鈦白粉的耐熱性對比(900°C 9 h in air)    不同摻雜物質對納米氧化鈦比表面積的影響圖-1 高比表面積和良好耐熱穩定性的新型納米鈦白粉2. 新型金屬整體式催化劑載體(PCT專利WO2005/089939A1，日本專利2011-31162) 催化劑的活性組份、結構化載體和反應器三者集成化的思想，已成為當前催化領域重要的且被逐漸接受的新思維。從宏觀尺度出發研制的具有結構化的整體式催化劑，由于糅合了催化劑設計和反應器設計，從而具有傳質傳熱好、床層壓降低、緊湊小型、工程放大簡單等優點，有利于提高催化反應的活性和選擇性等。在大氣環保和催化燃燒等氣固相反應中已得到廣泛應用，在多相反應中也顯示了巨大的潛力。但傳統的涂層式整體式催化劑，因活性組分涂層與基材物性(堇青石或金屬合金)的較大差異，使得涂層的粘附穩定性不高，易剝離的問題尚未得到完善解決。針對傳統涂覆法制備的金屬基體整體式催化劑(MMC)的活性涂層易剝離的瓶頸，以及近年來發展的非涂覆式MMC的比表面積小、孔道難以調控的缺點，我們利用多孔陽極氧化鋁材料(PAA)的金屬自生長氧化鋁膜與金屬基體間具有高度粘附性的特點，在保持其有序孔骨架結構的前提下，通過“陽極氧化-擴孔-水熱反應-焙燒”的方法，對其孔道結構和化學特性進行改性修飾，制備一種具有大比表面積的新型非涂覆式MMC。在材料合成過程中，結合陽極氧化和擴孔處理對多孔膜的幾何參數的調變，解析水熱反應中擬薄水鋁石層的形成機制以及由此帶來的封孔效應，創新性地利用金屬自生長和原位相變技術在MMC上實現大范圍尺度可調的規則雙孔道結構。在此基礎之上，我們通過探索PAA催化劑的構效關系，獲得既利于分散和反應又有利于擴散傳質的孔道特征，發展了一套面向具體反應可控合成MMC的新方法。改性PAA膜與金屬基材間緊密的一體化構造，實現了反應場上熱量的快速供給與轉移。高度可塑性的金屬基材使得催化劑可以具有復雜的立體結構，確保了裝置的低壓損和小型化(圖-6)。采用Al/Fe–Cr–Ni Alloy/Al覆層鋁材制備的高溫型PAA載體，實現了快速通電加熱，從室溫到1000°C僅需數秒，大幅提升了系統啟動性和響應性(圖-7)。另外，開發了金屬中間擴散層技術和微小龜裂技術用于改善PAA膜在劇烈機械或熱沖擊下的韌性和穩定性，在40000次通電加熱1000°C – 室溫急冷的循環測試中，未發現PAA膜的剝落。在研究PAA載體的同時，對其在環保和新能源領域，尤其是對系統壓損、啟動性、熱應答性/熱耦合、輕質化及小型化等具有嚴格要求的體系中的應用，均開展了長期的研究，例如自動車尾氣脫硝處理，VOCs/CO/NH3的催化燃燒，甲烷/甲醇/乙醇/DME/煤油的重整制氫等等。3. 貴金屬替代型高效催化燃燒(含尾氣污染的催化燃燒治理)目前在工業催化燃燒中，主要以貴金屬為活性組分，多使用顆粒狀充填反應器或堇青石蜂窩狀反應器。主要問題是：① 貴金屬催化劑性能優異，但價格昂貴；② 設備較為龐大，能量利用率低和運轉費用過高，從而嚴重限制了向中小型企業的普及應用。貴金屬替代催化劑和高效節能的緊湊型反應器的開發成為該領域的主要發展趨勢。我們對于有機揮發性氣體VOCs、CO及NH3的催化燃燒凈化，使用多種類型的催化劑進行了研究。主要包括：傳統的粒狀負載催化劑、負載型改性PAA整體式催化劑、Bulk型復合金屬氧化物催化劑、改性TiO2催化劑、含碳素的非貴金屬催化劑等。目前為止，所開發的Bulk型Cu-Co系、Cu-Mn系、Fe-Mn系等催化劑，在芳香族(苯、甲苯、二甲苯)的燃燒上接近貴金屬催化劑。在CO、NH3、乙酸乙酯、己烷等的燃燒上達到或超越貴金屬催化劑(表-1)。當前，我們在整合PAA改性修飾技術和復合金屬氧化物技術的基礎之上，正在從事負載非貴金屬的PAA催化燃燒催化劑的開發，并把它用于化工供熱源及大氣污染的燃燒治理(VOC、NH3、CO、HC等)。充分利用金屬整體式催化劑在可塑性和傳熱性上的優異性能，通過合理的催化劑成型及反應器設計，提高放/吸熱耦合性，實現高效節能和小型化的目的(諸如采用Multi-tube型、Wall-type型、多層同心圓等反應器設計，在平板狀催化劑的兩側分別設置燃燒反應和換熱介質)。同時，在結合金屬整體式催化劑特性的基礎之上，根據具體的用途對反應體系進行合理的工藝設計。例如對于低濃度大風量尾氣的處理，采用“濃縮–燃燒”一體化設計，并在反應啟動階段采用通電啟動催化反應(圖-8)。圖-8 大中小型VOCs催化氧化處理系統4. 多功能型重整制氫催化劑的研究 (日本專利2011-31162) 碳氫化合物的重整制氫主要用途為PEFC燃料電池的制氫及H2和CO化工原料的制備。但是由于重整制氫多為強吸熱反應，反應體系對吸/放熱的耦合有嚴格要求，另外PEFC制氫的啟動性和小型化等也被較多地關注。2004年起，我們啟動了多功能重整制氫催化劑的開發(甲烷、DME、甲醇、乙醇、煤油等)，為降低催化劑成本，使用低價Ni為主要活性成分(圖-9)。為解決鎳催化劑中常出現的鎳氧化、結焦、燒結等失活問題，在孔道控制的基礎之上，通過Nickel Aluminate中間層及痕跡量貴金屬添加等技術的開發，制備了具有較高壽命并且可以自活化?自復活的AAO鎳催化劑。在與商業催化劑（SüD–CHEMIE的RUA和FCR-4，新日本石油的RUA-2）的對比測試中，該催化劑表現出更加優異的性能。使用都市煤氣13A為原料，3000h靜態壽命測試及500回DSS模式測試(Daily startup and shutdown)均取得良好結果(圖-10)。基于板式通電加熱型PAA催化劑的水蒸氣重整制氫的測試結果表明，采用階段式通電加熱，系統啟動時間可從傳統的外加熱式的1h縮短為10min，從而為實現PEFC的快速啟動提供了有力的技術保障。多用途是該催化劑的重要特點。除天然氣的水蒸氣重整之外，在甲醇、乙醇、燈油的水蒸氣重整，甲烷直接部分氧化重整，甲烷二氧化碳重整等體系中均取得了良好結果。迄今為止，在非貴金屬催化劑中，多功能型重整催化劑尚未見報道。目前的主要工作是：1) 催化劑的進一步改良優化；2) 以流程集成化和強化傳熱為目的，進行Multi-tube或Wall-type型反應器的設計(重整–燃燒一體化) (圖-11)；3) 整合非平衡式“CO2吸附–重整”一體化設計，超越CO的SHIFT反應的平衡限制，例如采用CO2吸附技術，或催化膜反應器等；3) 生物質原料(生物質甲醇、乙醇、甲烷等)的重整制氫，及CO2的重整等研究；5. 整體式催化劑的新用途在上述研究的基礎之上，我們根植于材料化學工程國家重點實驗室和化學工程與技術國家一級重點學科，進行跨專業跨學科的合作，充分發揮整體式催化劑的特點，逐步拓展其在能源和環保等領域中的應用，例如：1) 金屬基催化劑的放電電極和催化反應效果的疊加2) 再生式環控生保系統二氧化碳的Sabatier反應3) 加氫、裂解、C1及C2合成4) 水污染治理上的應用5) 傳統化工領域的技術革新，例如，在催化精餾中實現流道設計用的塔填料與反應用的催化劑的一體化構造，用以實現裝置的小型化、降低床層壓降以及解決催化精餾常出現的液泛等問題。