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Toward Concurrent Engineering of the M1-Based Catalytic Systems for Oxidative Dehydrogenation (ODH) of Alkanes
Topics in Catalysis ( IF 3.6 ) Pub Date : 2020-07-13 , DOI: 10.1007/s11244-020-01327-7
Anne M. Gaffney , Qi An , William A. Goddard , Weijian Diao , Michael V. Glazoff

In the oxidative dehydrogenation (ODH) of alkanes, some important advances of the last decade have made it possible to accelerate the development and industrial insertion of the M1 based catalytic systems. These catalysts may be fine-tuned to account for the inevitable variability of different chemicals and impurities in the feedstocks. The latter may include, among others, different blends of shale gases, with different ratios of the C1-C3 alkanes and impurities such as sulfur, phosphorus, etc. In this article, we review the recent progress achieved in our understanding of the crystal structures and the oxidative dehydrogenation (ODH) reaction mechanisms of the multi-metal oxide (MMO) M1 catalyst. Firstly, the complex crystal structure of the M1 phases has been examined using quantum mechanics (QM), reactive force field (ReaxFF), and machine learning (ML) approaches. Secondly, we discussed the ODH mechanism on the M1 phase based on the QM simulations including the finite cluster model and the periodic slab model. Finally, we proposed a catalyst design approach to improve the selectivity of the M1 phase based upon the ODH reaction mechanism. We also briefly discuss the concept of the CE (“Concurrent Engineering”, introduced by the European Space Agency). The development of the CE concepts may be applied to the M1 catalytic systems in the future allowing businesses to be agile and react fast to the changing production conditions, thereby making them uniquely competitive in the ODH of alkanes and other areas.



中文翻译:

迈向基于M1的烷烃氧化脱氢(ODH)催化体系的并发工程

在烷烃的氧化脱氢(ODH)中,最近十年的一些重要进展使得加速基于M1的催化系统的开发和工业应用成为可能。可以对这些催化剂进行微调,以解决原料中不同化学物质和杂质不可避免的可变性。后者可能包括页岩气的不同混合物,以及不同比例的C1-C3烷烃和杂质(例如硫,磷等)。在本文中,我们回顾了在了解晶体结构方面取得的最新进展以及多金属氧化物(MMO)M1催化剂的氧化脱氢(ODH)反应机理。首先,我们使用量子力学(QM),反作用力场(ReaxFF)检查了M1相的复杂晶体结构,和机器学习(ML)方法。其次,我们基于包括有限簇模型和周期平板模型在内的质量管理模拟,讨论了M1相的ODH机理。最后,我们提出了一种基于ODH反应机理的提高M1相选择性的催化剂设计方法。我们还将简要讨论CE(欧洲航天局提出的“并行工程”)的概念。CE概念的发展将来可能会应用于M1催化系统,使企业能够灵活应对变化的生产条件并做出快速反应,从而使其在烷烃和其他领域的ODH中具有独特的竞争力。最后,我们提出了一种基于ODH反应机理的提高M1相选择性的催化剂设计方法。我们还将简要讨论CE(欧洲航天局提出的“并行工程”)的概念。CE概念的发展将来可能会应用于M1催化系统,使企业能够灵活应对变化的生产条件并做出快速反应,从而使其在烷烃和其他领域的ODH中具有独特的竞争力。最后,我们提出了一种基于ODH反应机理的提高M1相选择性的催化剂设计方法。我们还将简要讨论CE(欧洲航天局提出的“并行工程”)的概念。CE概念的发展将来可能会应用于M1催化系统,使企业能够灵活应对变化的生产条件并做出快速反应,从而使其在烷烃和其他领域的ODH中具有独特的竞争力。

更新日期:2020-07-14
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