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研究总览：开展膜与催化功能材料的理性设计与分子水平制备合成。旨在通过原子/分子尺度下的晶体结构与化学组成设计、纳米/微米尺度下的晶粒生长与晶界结构调控创制高性能分离膜，并在宏观尺度下构建分离膜组件及反应-分离耦合膜反应器以实现过程化。力求面向重要化工分离过程设计高性能分离膜，揭示膜分离与催化的科学本质、开发膜分离工业应用与分离耦合新过程。
混合导体膜
具有钙钛矿结构（ABO3, 左图上）和萤石结构（MO2, 左图下）混合离子-电子导电材料可用作分离膜用于氧气或氢气分离，和固体氧化物电池或电解池的电极用于能量转化。这类混合导体材料性能取决于氧离子在晶格中的扩散动力学（中间上）、晶界处的扩散动力学（中间下）以及气固界面上的氧交换反应（中间图）。研究团队根据催化膜反应器的反应条件研发能够满足实际应用的膜材料（右图），构建渗透模型深入认识固体点化学过程的体相与界面动力学，以及理解上述固体氧化物装置中的反应分离耦合科学规律。研究团队一直从事混合导体材料的研究工作，在混合导体膜分离、催化膜反应器以固体氧化物电池或电解池等方面取得了重要研究成果。主要研究领域涉及新材料研发、新催化膜反应器中的反应-分离耦合、膜反应器中催化转化高稳定性小分子、建立渗透膜型揭示分离与反应过程中的动力学、以及各种与膜实际应用相关的各种技术。近年来，在透氧膜及膜反应器研究方面取得了系统、深入、创新性研究成果：提出了双相透氧膜设计新理论，建立了一种各参数物理意义明确，能够正确描述氧渗透过程的数学模型；首次揭示了膜材料低温失效机理并实现了低温下稳定透氧；实现了工业上需9步的过程在膜反应器中1步完成；提出了利用透氧膜反应器实现高效氢分离的新概念。目前以混合导体材料为电催化剂，开展了电催化膜反应器催化转化高稳定性小分子制高附加值方面的研究工作。
研究内容：
混合导体膜用于O2, H2分离 催化膜反应器用于过程强化 电催化合成化学品 -
代表性论文：
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The current status of high temperature electrochemistry-based CO2 transport membranes and reactors for direct CO2 capture and conversion, P. Zhang, J. Tong, K. Huang, X. Zhu, W. Yang, Prog. Energy Combust. Sci., 2021, 82, 100888. Full Article Link
Universally applicable kinetic model for mixed ionic-electronic conducting membranes, Y. Zhu, W. Li, L. Cai, X. Zhu, W. Yang, Chem. Eng. Sci., 2020, 215, 115455. Full Article Link
Microstructural and interfacial designs of oxygen–permeable membranes for oxygen separation and reaction–separation coupling, X．Zhu, W. Yang, Adv. Mater., 2019, 31, 1902547. Full Article Link
H2S-tolerant oxygen-permeable ceramic membranes for hydrogen separation with a performance comparable to those of palladium-based membranes, W. Li, Z. Cao, L. Cai, L. Zhang, X. Zhu, W. Yang, Energy Environ. Sci., 2017, 10, 101-106. Full Article Link
Nanoparticles at grain boundaries inhibit the phase transformation of perovskite membrane, Y. Liu, X. Zhu, M. Li, R. P. O’Hayre, W. Yang, Nano Lett., 2015, 15, 7678-7683. Full Article Link
分子筛膜
分子筛一般指具有规则多孔网络结构的微孔材料，可实现分子级别分离。其依托载体，在二维平面内紧密堆砌延伸，形成分子筛膜。研究团队致力于以金属-有机骨架为代表的高性能分子筛膜制备与分离应用基础研究，旨在通过分子筛化学组成设计与孔结构剪裁精准创制分离材料；通过晶粒取向与晶界结构调控设计分离膜微纳结构；通过有机-无机多相复合协同优化膜分离传输性质；通过构建二维超薄纳米片膜实现传质阻力最小化。力求探索高效、低能耗、环境友好的分离路线，实现生物燃料/化学品精制、石油化学品分离、天然气纯化、CO2捕获等重要分离应用。
研究方向：
多晶分子筛膜 有机-无机复合膜 二维超薄纳米片膜 新型膜分离与吸附
代表性论文：
Tuning of Delicate Host–Guest Interactions in Hydrated MIL-53 and Functional Variants for Furfural Capture from Aqueous Solution, N. Cao, H. Wang, Y. Ban, W. Yang, et al., Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 1629-1634. Full Article Link ZIF-L membrane with a membrane-interlocked-support composite architecture for H2/CO2 separation, K. Yang, Y. Ban, W. Yang, et al., Sci. Bull., 2021, doi: 10.1016/j.scib.2021.05.006. Full Article Link Microstructural Engineering and Architectural Design of Metal-Organic Framework Membranes, Y. Liu, Y. J. Ban, W. S. Yang, Adv. Mater., 2017, 29, 1606949. Full Article Link Two-Dimensional Metal-Organic Framework Nanosheets for Membrane-Based Gas Separation, Y. Peng, Y. S. Li, Y. J. Ban, W. S. Yang, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 33, 9757–9761. Full Article Link Confinement of Ionic Liquids in Nanocages: Tailoring the Molecular Sieving Properties of ZIF-8 for Membrane-Based CO2 Capture, Y. J. Ban, Z. J. Li, Y. S. Li, Y. Peng, H. Jin, W. M. Jiao, A. Guo, P. Wang, Q. Y. Yang, C. L. Zhong, W. S. Yang, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 15483–15487. Full Article Link Metal-Organic Framework Nanosheets as Building Blocks for Molecular Sieving Membranes, Y. Peng, Y. S. Li, Y. J. Ban, H. Jin, W. M. Jiao, X. L. Liu, W. S. Yang, Science, 2014, 346, 1356–1359. Full Article Link
膜反应器
在膜反应器中将反应和分离耦合，可大幅简化过程，节能降耗效果显著。在膜反应器中，反应与分离耦合，可选择性移除特定产物或输入反应物，从而突破反应平衡限制，促进目标产物生成，消除副反应，并同时实现产物提纯。研究团队聚焦膜材料设计、新型膜反应器的建立、模型构建来理解反应和分离的协同作用，同时全力研发适用于膜反应器的催化材料。例如，研究团队于近期提出一种新型催化膜反应器，一步实现工业上需九步的过程，较传统过程节能>60%；提出一种利用透氧膜高效氢分离的新概念，并将其与燃烧前CO2捕获耦合，使CO2捕获能耗下降了59%。目前研究团队正尝试开发新的膜反应器，用于稳定小分子或生物基平台化合物转化为高附加值化学品和燃料。
研究方向：
代表性论文：
High‐performance oxygen transport membrane reactors integrated with IGCC for carbon capture, L. Cai, X. Wu, X. Zhu, A. F. Ghoniem, W Yang, AIChE J., 2020, 66 e16247. Full Article Link Dual-phase membrane reactor for hydrogen separation with high tolerance to CO2 and H2S impurities, L. Cai, S. Hu, Z. Cao, H. Li, X. Zhu, W. Yang, AIChE J., 2019, 65, 1088-1096. Full Article Link H2S-tolerant oxygen-permeable ceramic membranes for hydrogen separation with a performance comparable to those of palladium-based membranes, W. Li, Z. Cao, L. Cai, L. Zhang, X. Zhu, W. Yang, Energy Environ. Sci., 2017, 10, 101-106. Full Article Link Conversion of xylose into furfural in a MOF-based mixed matrix membrane reactor, H. Jin, X. Liu, Y. Ban, Y. Peng, W. Jiao, P. Wang, A. Guo, Y. Li, W. Yang, Chem. Eng. J., 2016, 305, 12-18. Full Article Link Integration of nine steps for producing ammonia and liquid-fuel synthesis gases in one membrane reactor, W. Li, X. Zhu, S. Chen, W. Yang, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 8566-8570. Full Article Link
锌基电池
电池可以通过电能和化学能相互转化实现能量存储。目前，广泛应用的锂离子电池由于其高成本和安全隐患问题，发展已进入瓶颈期。针对上述挑战，研究团队致力于发展低成本且高安全的水系锌基电池体系，如锌空气电池、锌离子电池等。通过对关键正负极材料和电解质的研发，并深入揭示电池反应机理，开发出高能量密度、高安全性、长寿命和低成本的电池体系。研究团队代表性工作包括：在锌空气电池领域，在确定了催化剂中铁作为析氧反应活性中心的基础上，通过增多氧空位提高了催化剂析氧性能；在揭示了层状结构的重要影响后，开发出了高活性的镍铁氢氧化物。在水系锌离子电池领域，在明确了关键正极材料H+/Zn2+共插入机理的基础上，提出了高电位活化提高比容量的方法；在揭示钒基材料不稳定的本质原因后，提出了预插入离子增强材料稳定性的策略。基于我们的系统研究工作不仅为锌基电池产业化应用提供了具有极大潜力的正极材料，而且为开发高性能的锌基电池提供了思路。
研究方向：
代表性论文：
Understanding the dissolution and phase transformation mechanisms in aqueous Zn/α-V2O5 batteries, K. Zhu, T. Wu, K. Huang, Chem. Mater., 2021, 33, 4089-4098. Full Article Link
A high-voltage activated high-performance cathode for aqueous Zn-ion batteries, K. Zhu, T. Wu, K. Huang, Energy Storage Mater., 2021, 38, 473-481. Full Article Link Reversible molecular and ionic storage mechanisms in high-performance Zn0.1V2O5·nH2O xerogel cathode for aqueous Zn-ion batteries, K. Zhu, T. Wu, W. van den Bergh, M. Stefik, K. Huang, ACS Nano, 2021, 15, 10678-10688. Full Article Link Synergistic H+/Zn2+ dual ion insertion mechanism in high-capacity and ultra-stable hydrated VO2 cathode for aqueous Zn-ion batteries, K. Zhu, T. Wu, S. Sun, W. van den Bergh, M. Stefik, K. Huang, Energy Storage Mater., 2020, 29, 60-70. Full Article Link The roles of oxygen vacancies in electrocatalytic oxygen evolution reaction, K. Zhu, F. Shi, X. Zhu, W. Yang, Nano Energy, 2020, 73, 104761. Full Article Link NaCa0.6V6O16·3H2O as an ultra‐stable cathode for Zn-ion batteries: the roles of pre-inserted dual-cations and structural water in V3O8 layer, K. Zhu, T. Wu, K. Huang, Adv. Energy Mater., 2019, 9, 1901968. Full Article Link Application of in situ techniques for the characterization of NiFe-based oxygen evolution reaction (OER) electrocatalysts, K. Zhu, X. Zhu, W. Yang, Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 1252-1265. Full Article Link A high capacity bilayer cathode for aqueous Zn-ion batteries, K. Zhu, T. Wu, K. Huang, ACS Nano, 2019, 13, 14447-14458. Full Article Link Layered Fe-substituted LiNiO2 electrocatalysts for high-efficiency oxygen evolution reaction, K. Zhu, T. Wu, Y. Zhu, X. Li, M. Li, R. Lu, J. Wang, X. Zhu, W. Yang, ACS Energy Lett., 2017, 2, 1654-1660. Full Article Link Perovskites decorated with oxygen vacancies and Fe-Ni alloy nanoparticles as high-efficiency electrocatalysts for the oxygen evolution reaction, K. Zhu, T. Wu, M. Li, R. Lu, X. Zhu, W. Yang, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 19836-19845. Full Article Link Atomic-scale topochemical preparation of crystalline Fe3+-doped β-Ni(OH)2 for an ultrahigh-rate oxygen evolution reaction, K. Zhu, H. Liu, M. Li, X. Li, J. Wang, X. Zhu, W. Yang, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 7753-7758. Full Article Link
分子筛膜工业应用
沸石分子筛是指一系列以硅（铝）氧四面体为基本结构单元、具有规整三维网络结构的微孔晶体材料。因为具备良好的热稳定性、机械强度和化学稳定性，沸石分子筛成为理想的膜材料。分子筛膜的广泛研究兴起于1989年。除了分子筛的拓扑结构，分子筛膜的分离性能还与多项微观结构因素有关，如膜厚、硅铝比、晶体取向和边界。为精确控制其微观结构，研究者开发了多种行之有效的合成技术和方法（如微波加热合成）。研究团队率先开展微波加热合成分子筛膜研究，并开发了一种“原位老化-微波加热”合成NaA型分子筛膜的新方法。通过原位老化载体表面会形成一层包含晶核前驱体的凝胶层。在随后的微波加热过程中，晶核前驱体会同时迅速成核，并连生成一层致密的分子筛膜（左图）。上述方法可同样用于FAU型和T型分子筛膜的合成。微波加热技术已成功用于工业合成NaA型分子筛膜（右上），并组装成大型膜组件用于有机物的渗透气化或蒸气渗透脱水（右下）。
研究方向：
分子筛膜（A型、FAU型、T型）微波合成 渗透气化/蒸气渗透有机物（醇、酮、酯等）脱水 分子筛膜放大制备与工程应用
代表性论文：
In situ electrochemical synthesis of oriented and defect-free AEL molecular-sieve films using ionic liquids, T. W. Yu, W. L. Chu, R. Cai, Y. C. Liu, W. S. Yang, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 13032-13035. Full Article Link Fabrication of highly b-oriented MFI film with molecular sieving properties by controlled in-plane secondary growth, Y. Liu, Y. Li, W. Yang, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 1768–1769. Full Article Link Microwave synthesis of high performance FAU-type zeolite membranes: Optimization, characterization and pervaporation dehydration of alcohols, G. Q. Zhu, Y. S. Li, H. Zhou, J. Liu, W. S. Yang, J. Membrane Sci., 2009, 337, 47-54. Full Article Link Hydrothermal stability of LTA zeolite membranes in pervaporation, Y. S. Li, H. Zhou, G. Q. Zhu, J. Liu, W. S. Yang, J. Membrane Sci., 2007, 297, 10-15. Full Article Link Synthesis of a high-permeance NaA zeolite membrane by microwave heating, X. C. Xu, W. S. Yang, J. Liu, L. W. Lin, Adv. Mater., 2000, 12, 195-198. Full Article Link
低碳烷烃催化转化
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烃类催化转化和利用经历了炔烃→烯烃→烷烃的发展历程。低碳烷烃资源丰富且价格低廉，将它们通过（氧化）脱氢或选择性催化转化成乙烯、丙烯等大宗化学品或不饱和醛、酸等高附加值的化工产品可以带来巨大经济效益。研究团队经过近20年的研发，目前已开发出具有自主知识产权的低碳烷烃转化高性能催化剂：成功开发出高选择性高稳定性的乙烷氧化脱氢制乙烯催化剂，并在国内率先完成了1000小时单管测试实验，为进一步的中试示范装置设计和建设提供数据支持；成功完成120吨丙烷脱氢制丙烯催化剂的工业放大生产以及60天的工业装置丙烷脱氢性能测试，表现出优良的丙烷脱氢性能；开发出高的催化活性和选择性的复合金属氧化物催化剂，在丙烷选择氧化制丙烯酸反应中产物丙烯酸的收率高达52%，是目前报道催化性能最好的丙烷选择氧化催化剂，已完成1000小时的丙烷选择氧化及尾气中CO选择性脱除一体化单管实验。此外，课题组也开展丙烷氨氧化制丙烯腈、异丁烷选择氧化制甲基丙烯酸等低碳烷烃催化转化及相关催化剂新材料的开发研究工作。
研究方向：
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丙烷选择（氨）氧化制丙烯腈或丙烯酸 -
低碳烷烃选择氧化反应循环尾气中CO选择性氧化脱除
代表性论文：
Synergistic effects of phases in the selective oxidation of isobutane over the supported (NH4)3HPMo11VO40 catalysts，Xue Cai, Yue Ma, Qi Zhou, Zitong Zhang, Wenling Chu, Weishen Yang，Reaction Kinetics, Mechanism and Catalysis, 2021, 133,293-308. Full Article Link
Selective Removal of CO in Hydrocarbons-Rich Industrial Off-gases over CuO-CexZr1-xO2 catalysts, Xue Cai*, Qi Zhou, Yue Ma, Li Jiang, Wenwen Yu, Wenling Chu*, Rui Cai, Weishen Yang, Catalysis Surveys from Asia, 2021, 25, 68-71. Full Article Link Selective removal of CO from hydrocarbon-rich industrial off-gases over CeO2-supported metal oxides, Wenwen Yu, Qi Zhou, Hongkui Wang, Yanchun Liu, Wenling Chu*, Rui Cai*, Weishen Yang, J. Mater. Sci., 2020, 55, 2321-2332. Full Article Link Polyoxometalate catalysts with co-substituted VO2+ and transition metals and their catalytic performance for the oxidation of isobutane, Yanchun Liu, Jinggang He, Wenling Chu,Weishen Yang, Catal. Sci. & Technology, 2018, 8, 5774-5781. Full Article Link Highly efficient removal of CO in effluent streams from real-life propane oxidation process over CuO-CeO2-based catalysts, Wenling Chu, Yanchun Liu, Hongkui Wang, Weishen Yang, ChemCatChem., 2018, 10, 4292-4299. Full Article Link Effect of V-containing precursors on the structure and catalytic performance of Cs-substituted phosphomolybdates for isobutane oxidation, Jingfang He, Yanchun Liu, Wening Chu, Weishen Yang, Appl. Catal. Gen., 2018, 556, 104-112. Full Article Link
代表性授权专利：
杨维慎，张宝春，楚文玲，阎嘉华，李洪波，郭万冬，王宏奎
中国专利，申请号：ZL 2020 1 0076238.8
杨维慎，楚文玲，李洪波，王宏奎，刘延纯
中国专利，申请号：ZL 2020 1 0076239.2
杨维慎，楚文玲，王红心，刘延纯，王宏奎，李清强，李旭
中国专利，申请号：ZL 2018 1 0936663.2
杨维慎，楚文玲，王红心，刘延纯，王宏奎
中国专利，申请号：ZL 2018 1 0936667.0
杨维慎，楚文玲，王红心，胡子益
中国专利，申请号：ZL 2014 1 0172716.X
杨维慎，楚文玲，蔡睿，王红心
中国专利，申请号：ZL 2014 1 0441029.3
杨维慎，王红心，楚文玲
中国专利，申请号：ZL 2014 10198867.2
杨维慎，王红心，楚文玲
中国专利，申请号：ZL 201510930207.3
杨维慎，王红心，楚文玲，李清强，李旭，王宏奎，刘延纯
中国专利，申请号：ZL 201710105937.9
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