Fe/Co催化剂在合成气转化领域的新进展:结构调控和性能强化（英文）

C1化学通常是指所有参与反应的分子都只含有一个碳原子,是煤化学和天然气化学的核心,其中合成气(CO+H_2)转化是其中最重要的工业反应体系.如今部分国家和地区,由于能源结构调整和煤炭资源利用,急需开发更清洁、更高效的绿色能源.合成气转化作为煤炭间接液化技术中最重要的一个环节,根据目标产物的不同已经发展了三个主要的反应体系:传统的费托合成制备汽油、柴油和蜡等饱和碳氢化合物,类费托合成制备以低碳烯烃、芳香化合物为主的不饱和碳氢化合物,以及一步转化为高碳醇的含氧化合物.铁/钴作为两种主要的工业催化剂,引起了研究者的广泛关注.不同的产物对于催化体系的要求不同,即使催化剂的组成相同,仍需对催化剂的结构进行大范围的调变和修饰.而催化剂结构的改变可以通过载体的选择、助剂的修饰和活化条件的调控来改变催化剂中活性相的尺寸和分散度、活性位点的电子密度甚至获得新的活性物种.通过对催化剂进行改性,我们可以有效的促进反应物的活化、削弱产物的吸附并最终获得目标产物.与此同时,反应条件的优化(温度和压力)、反应介质的转变和不同反应的耦合同样可以极大改变催化性能.由此可见,无论是直接对催化剂结构进行修饰还是间接的改变反应条件都可以有效的提升催化性能.高效催化剂的设计主要基于结构调控和新反应体系的建立,本文系统地综述了铁/钴催化剂在合成气转化方面的三个重要反应和最新研究进展.第一部分概述了费-托合成反应中关于铁活性物种的辨别与确认、对制备汽油和柴油的性能优化,着重介绍了原位技术在该反应中的应用及对催化体系中构效关系的揭示.第二部分讨论了制备烯烃和芳香化合物等不饱和碳氢化合物的催化剂结构设计,总结了产物选择性(尤其是C2–C4烯烃选择性)的调控方法.第三部分综述了近期报导的合成气直接转化为高碳醇的催化剂的研究进展,包括制备方法、载体和助剂对于提升总醇和高碳醇选择性的影响.最后,本文探讨了该领域尚未解决的问题,主要包括制备烯烃和高碳醇的性能仍距实际工业生产的指标相去甚远、在苛刻的反应条件下活性位点极难保持稳定的结构、以及反应体系的复杂性对于深入理解反应机理所造成的阻碍,并从新型催化剂的制备、金属载体相互作用的调控、原位实验的探究等方面提出了可行的解决方案     

一氧化碳加氢制碳氢化合物反应选择性的调控

合成气（即一氧化碳加氢）催化转化制碳氢化合物的费托合成反应是煤、甲烷和生物质等非油基碳资源间接转化制液体燃料或化学品的关键步骤．在传统的费托合成催化荆上,产物服从Anderson．Schulz．Flory分布,特定产物的选择性差．设计和制备高选择性费托合成催化剂,实现C-C偶联产物选择性的调控,是现代C,化学最具挑战性的课题．本文概述了近年来有关c￡偶联机理方面的理论研究进展,简要总结了影响费托合成产物选择性的几个关键因素,着重阐述了活性金属尺寸及所处微环境对产物选择性和催化：舌性的影响．本文还评述了既具有一氧化碳加氢制高碳烃又具有高碳烃加氢裂解能力的双功能费托合成催化剂体系,并提出通过控制加氢裂解等二次反应控制费托合成产物选择性的新策略．     

分子筛结构设计及酸性调控在合成气催化转化中的应用研究进展

合成气催化转化是生物质或煤炭资源化清洁利用的重要路径,由此可获得烯烃和芳烃等多种高附加值碳氢化合物。分子筛由于具有独特的亚纳米孔道、可控活性位及分子择形性等优点,常被作为载体或直接作为活性组分用于催化合成气转化中C-C的形成和断裂等关键步骤。本综述总结了以分子筛负载金属、氧化物-分子筛(OX-ZEO)双功能以及核壳结构催化剂等直接催化转化合成气制备碳氢化合物的研究进展。重点介绍分子筛结构和酸性对反应路径和机理以及产物分布的影响,并展望分子筛催化合成气转化的未来发展方向。     

CO加氢制备低碳烯烃Fe基和Co基催化剂研究进展

CO加氢制备低碳烯烃是非石油路线获得烯烃的重要反应,其反应路线有直接法和间接法.直接法制备低碳烯烃具有反应路线短、能源利用率高、经济高效等优势.综述了近年来Fe基催化剂、 Co基催化剂在CO直接制备低碳烯烃中的研究进展.分析认为:费托合成过程产物选择性遵循Anderson-Schulz-Flory(ASF)分布规律,助剂和载体的使用一定程度提高Fe基、 Co基催化剂的低碳烯烃选择性.     

CO加氢制备低碳烯烃Fe基、Co基催化剂研究进展

CO加氢制备低碳烯烃是非石油路线获得烯烃的重要反应,其反应路线有直接法和间接法。直接法制备低碳烯烃具有反应路线短、能源利用率高、经济高效等优势。综述了近年来Fe基催化剂、Co基催化剂在CO直接制备低碳烯烃中的研究进展。分析认为：费托合成过程产物选择性遵循Anderson-Schulz-Flory（ASF）分布规律,助剂和载体的使用一定程度提高Fe基、Co基催化剂的低碳烯烃选择性。     

用于费托合成的骨架Co@HZSM-5核壳催化剂

以骨架Co 为内核, 通过水热合成在其表面包覆HZSM-5 分子筛膜, 制备了具有核壳结构的骨架Co@HZSM-5 催化剂. 采用元素分析、氮物理吸附、粉末X射线衍射、扫描电子显微镜、氨脱附等手段对催化剂的物理化学性质进行了表征. 在气相费托合成反应中, 骨架Co@HZSM-5 核壳催化剂显示了比物理混合的骨架Co-HZSM-5催化剂更好的催化裂解作用, 故C₅-C₁₁汽油段产物选择性高. 通过改变水热时间, 对分子筛膜厚进行了调节, 发现适当的分子筛膜厚在保证催化剂具有较高活性的前提下, 使长链费托合成产物完全裂解, 高选择性地得到汽油段产物. 提高反应温度有利于费托合成反应的进行以及分子筛上裂解效率的提高, 但产物分布向短链烃方向移动. 在水热4天制备的骨架Co@HZSM-5核壳催化剂上及反应温度为250 ℃时, 得到了最佳反应结果, 汽油段产物选择性达79%, 说明费托合成活性中心与催化裂解酸中心之间形成了良好的协同作用.     

费托合成钴基催化剂微观结构研究进展

费托合成可将煤、天然气及生物质等各种非石油含碳资源通过合成气转化为各种油品和精细化学品.钴基催化剂因其水煤气变换反应活性低、费托反应活性高、碳链增长能力高的优良特点,在工业应用和相关科学研究上备受关注.钴基催化剂微观活性位的结构和费托反应过程中催化剂的表面吸附物等都会对F-T合成反应的产物分布以及催化性能有影响.本文分...     

合成气催化转化直接制备低碳烯烃研究进展

合成气直接催化转化制备低碳烯烃是C1化学与化工领域中一个极具挑战性的研究课题,具有流程短、能耗低等优势,已成为非石油路径生产烯烃的新途径。直接转化方式主要包括经由OX-ZEO双功能催化剂直接制低碳烯烃的双功能催化路线以及经由费托反应直接制备低碳烯烃的FTO路线。综述简述了近年来在合成气直接制备低碳烯烃方面的研究进展,重点讨论了低碳烯烃的形成机理、新型催化剂的研发及助剂对其催化性能的影响,并对合成气直接制烯烃的未来进行了展望。     

改性Fe／MnO催化剂在费—托合成中的反应活性变化

铁催化剂是传统的费托合成催化剂。众多研究表明，Ｆｅ／ＭｎＯ相结合可以打破产物的ＳＦ碳数分布规律，在合成气转化中显示出较高活性并提高产物中低碳烯烃选择性。Ｃｕ在该反应中可增加产物中的含氧化合物成分。我们在过去的工作中［１，２］曾将Ｃｕ担载在Ｆｅ／ＭｎＯ...     

Cu-Fe基催化剂上合成气直接制取低碳烯烃的研究

我们采用浸渍法制备了γ-Al2O3负载的Cu-Fe基催化剂,并结合其反应性能和XRD、H2-TPR和XPS等表征结果研究了其催化合成气直接制低碳烯烃的反应行为.结果表明,合成气直接制低碳烯烃Cu-Fe基催化剂的活性组分Cu和Fe之间存在明显的协同效应,Cu-Fe基催化剂表现出优异的合成气直接制低碳烯烃反应性能;Cu基催化剂中引入少量Fe组分明显提高了活性组分Cu的分散度,促进了Cu活性组分的还原,进而有利于催化剂反应性能的改进.初步推断Cu-Fe基催化剂上合成气转化生成低碳烯烃的主要反应历程为CO加氢生成含氧化合物(醇醚等)后再脱水生成低碳烯烃.     

Advances in direct production of value-added chemicals via syngas conversion

Syngas conversion to fuels and chemicals is one of the most challenging subjects in the field of C1 chemistry. It is considered as an attractive alternative non-petroleum-based production route. The direct synthesis of olefins and alcohols as high value-added chemicals from syngas has drawn particular attention due to its process simplicity, low energy consumption and clean utilization of carbon resource, which conforms to the principles of green carbon science. This review describes the recent advances for the direct production of lower olefins and higher alcohols via syngas conversion. Recent progress in the development of new catalyst systems for enhanced catalytic performance is highlighted. We also give recommendations regarding major challenges for further research in syngas conversion to various chemicals.     

碳纳米管封装铁纳米粒子催化剂上CO加氢制低碳烯烃

由于石油资源的逐步枯竭,近年来费托(F-T)反应因其可以高效将煤、天然气和生物质等转化成液体燃料和高值化学品而越来越受到人们的关注。相比于Co, Ni和Ru等F-T催化剂, Fe基催化剂因其价格低廉,产物分布广而被广泛研究。以合成气直接制备低碳烯烃的F-T过程为例,铁基催化剂通常会因积碳和烧结的问题,而导致失活。因此,人们通常使用一些氧化物载体,比如氧化硅,氧化铝或者分子筛来分散并稳定铁粒子。但是这类氧化物载体通常与铁有非常强的相互作用,特别是在铁粒子较小的情况下,容易生成一些难于还原的硅酸铁和铝酸铁。而活性炭、碳纤维等惰性载体与铁的相互作用较弱,不足以稳定小的铁粒子在而反应过程中聚集。近来,我们组提出了利用石墨烯碳层封装过渡金属粒子作为催化剂,利用“穿透”的金属电子来催化反应,从而可以使活性中心和反应介质隔离,有效地增强了非贵金属催化剂的活性和稳定性。在此基础上,我们组和其他课题组的研究表明,一系列石墨烯碳层封装的非贵金属催化剂在燃料电池阴极氧还原反应,电催化析氢反应,染料敏化太阳能电池中的I3–还原反应以及催化氧化还原反应中都有着广泛的应用前景。这种材料中碳层不仅能在氧化气氛、酸性介质中保护包覆的金属,防止其被氧化或者腐蚀,还与包覆的金属有着较强的相互作用,可以促进非贵金属的电子向碳层表面的转移,有望在一些苛刻的反应条件下实现对贵金属催化剂的替代。本文进一步拓展了其在高温反应中的应用,发现豆荚状碳纳米管封装的金属铁纳米粒子在合成气制备低碳烯烃中可以有效防止金属铁纳米粒子的烧结和聚集,因此表现出优异的低碳烯烃选择性和催化稳定性。我们利用一步化学反应法合成了豆荚状碳纳米管封装的铁纳米粒子催化剂(Pod-Fe),并通过酸洗除去碳管外面裸露的铁粒子。透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)表明酸洗后铁粒子被包覆在碳管内,并且呈金属态,而酸洗前,则还有大量的氧化铁粒子分布于碳管外部(FeOx/Pod-Fe)。将酸洗前后的两个催化剂用于固定床气相F-T反应中。通过调节空速和温度考察了它们的催化反应性能,结果表明两个催化剂在不同的反应条件下都有着良好的低碳烯烃选择性。不同反应温度下,它们表现出不同的变化趋势：Pod-Fe活性随着温度的升高而缓慢增长,至380 oC都没有明显的失活现象;而对于FeOx/Pod-Fe催化剂,随着温度的升高, CO的转化率先升高,在300 oC时达最高,但随着温度进一步升高,活性迅速降低,呈现一个火山型曲线。 TEM结果发现,反应后FeOx/Pod-Fe催化剂粒子上产生了很多杂乱的碳丝,并且铁粒子有着明显的聚集长大。而Pod–Fe催化剂即使在380 oC反应后,其形貌仍然保持完好,没有积碳产生,粒子也没有发生聚集和长大。进一步在320 oC下120 h的寿命试验发现, Pod-Fe催化剂的初始活性较低,但经20 h的活化阶段,活性会先增加后略有下降,20 h后趋于稳定。而FeOx/Pod-Fe催化剂在反应初始虽然表现出较高的活性,但是随着时间进行,活性迅速下降一半以上,最后趋于稳定。同时结合反应后TEM和XRD的结果发现碳管外部裸露的铁粒子会在反应过程中形成碳化铁物种,并随着反应进行产生聚集,并伴有大量积碳,导致活性迅速下降;而碳层的包覆对于铁粒子有着很好的稳定作用,使得铁粒子能够在高温反应中保持稳定,并且没有积碳的产生。由此可见石墨烯碳层可以有效保护其包覆的金属粒子,并且能够提高其在高温反应下的低碳烯烃选择性和稳定性。此类催化剂有望在一些苛刻条件下的多相催化反应中得到广泛应用。     

FeMn、FeMnNa和FeMnK催化剂上合成气制低碳烯烃的比较(英文)

研究了钠、钾助剂对FeMn合成低碳烯烃催化剂结构及性能的影响.低温N2吸附、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、H2程序升温还原(H2-TPR)、CO/CO2程序升温脱附(CO/CO2-TPD)、M?ssbauer谱和CO+H2反应的研究结果表明,增加Mn助剂含量促进了活性相的分散和低碳烯烃的生成,而过多锰助剂在催化剂表面的富集则降低了费托合成反应的CO转化率;钾助剂和钠助剂的加入均抑制了催化剂的还原并且促进了CO2和CO的吸附.比较还原后(H2/CO摩尔比为20)和反应后(H2/CO摩尔比为3.5)催化剂的体相结构可以发现,在FeMn、FeMnNa和FeMnK催化剂中,由于钾助剂的碱性和CO吸附能力较强,因此体相中FeCx的含量相对较高;而活性测试结果表明,FeMnNa催化剂拥有最好的CO转化率(96.2%)和低碳烯烃选择性(30.5%,摩尔分数).     

FeMn、FeMnNa和FeMnK催化剂上合成气制低碳烯烃的比较

研究了钠、钾助剂对FeMn 合成低碳烯烃催化剂结构及性能的影响. 低温N₂吸附、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）、H₂程序升温还原（H₂-TPR）、CO/CO₂程序升温脱附（CO/CO₂-TPD）、Mössbauer 谱和CO+H₂反应的研究结果表明,增加Mn助剂含量促进了活性相的分散和低碳烯烃的生成,而过多锰助剂在催化剂表面的富集则降低了费托合成反应的CO转化率;钾助剂和钠助剂的加入均抑制了催化剂的还原并且促进了CO₂和CO的吸附. 比较还原后（H₂/CO摩尔比为20）和反应后（H₂/CO摩尔比为3.5）催化剂的体相结构可以发现,在FeMn、FeMnNa和FeMnK催化剂中,由于钾助剂的碱性和CO吸附能力较强,因此体相中FeC_x的含量相对较高;而活性测试结果表明,FeMnNa催化剂拥有最好的CO转化率（96.2%）和低碳烯烃选择性（30.5%,摩尔分数）.     

沉淀铁催化剂在F-T合成中的研究与应用进展*

F-T合成是煤间接液化的关键工艺步骤,选择鼓泡浆态床反应器和廉价高效的铁催化剂是实现低氢碳比的煤基合成气转化的最为现实有效的产业化途径.本文对近年来国内外F-T合成技术发展进行了评述,着重介绍了用于浆态床反应器的沉淀铁催化剂的制备化学、成型方法、活性相组成、预处理条件及诸因素对F-T合成性能与工艺的影响,指出并展望了该类催化剂今后腞&D趋势与方向.     

Fe/SiO_2纳米复合物上合成气制低碳烯烃催化性能研究

分别采用一步合成法和常规共沉淀法制备了Fe/SiO2催化剂,通过N2物理吸附、X射线衍射、透射电镜、傅里叶变换红外光谱和程序升温还原等方法对催化剂进行了表征,并在固定床反应器中对其费托合成制低碳烯烃的催化性能进行了评价。结果表明,与共沉淀铁基催化剂不同,采用一步合成法制备的纳米复合物主要由Fe3O4相构成,形貌呈规则球形,平均粒径为30 nm,尺寸分布窄,更容易还原。一步合成法制得的Fe/SiO2催化剂对费托合成反应具有较高的活性和低碳烯烃选择性、较低的甲烷选择性和良好的稳定性。     

廉价铁基催化剂Ｆ-Ｔ合成反应性能初探

以四个廉价的FeSO4工业原料为铁源,采用连续共沉淀法制得含铁浆料,再用喷雾干燥法制得微米级球状Fe-Cu-Ｋ-SiO2催化剂。在Ｈ2/ＣＯ=2、526Ｋ、2 0MPa、2000ｈ-1条件下于固定床反应器上考察了这四个铁基催化剂的Ｆ-Ｔ合成反应活性、选择性和稳定性,结果表明在240ｈ运行时间内,该四个催化剂均表现出良好的反应活性和选择性,而稳定性则有不同程度的下降,其中2#催化剂性能相对较优,初始ＣＯ转化率为77.89%,经历反应诱导期40ｈ时达到89 58%,其后ＣＯ转化率逐渐下降,失活速率为1 33%/ｄ;在整个运行期间ＣＨ4选择性维持在4%左右,Ｃ+5选择性在80%左右。     

合成气直接转化制取芳烃研究进展（英文）

芳烃类化合物是石化行业重要的基础原料.非石油基碳资源经合成气直接转化制取芳烃具有重要的应用前景,但该过程仍存在着芳烃收率低以及催化剂稳定性差等难题.近年来相关工作取得重要进展,研究人员尝试通过高效催化剂的设计和操作条件的优化以获得更好的催化反应性能.本综述首先对该过程进行了热力学分析,并根据催化剂体系对相关研究成果进行分类总结,主要包括改性FT催化剂和复合催化剂.然后,对各类催化剂体系的反应性能特点和机理进行了深入探讨.改性FT催化剂常采用添加助剂或引入分子筛载体的方法调变反应中间体在传统FT催化剂上的反应路径,以促进芳烃的生成.但是,该过程倾向于生成链烃而致使芳烃选择性受到限制,而且容易形成积炭,催化剂稳定性差.复合催化剂可分为氧化物-分子筛和FT-分子筛催化剂,合成气首先在氧化物或者FT催化剂上生成某些亚稳态中间物种,随后扩散至分子筛孔道内经芳构化转化为芳烃.对于氧化物-分子筛复合催化剂,CO在氧化物上活化并生成醇类(主要是甲醇),随后在分子筛上进行C-C偶联、环化、芳构,生成芳烃.在该串联反应中,由于中间产物的不断转化,不仅使CO加氢反应的平衡右移,提升转化率,而且增加了芳烃的收率与反应的稳定性.另外,该过程CH4产物的选择性极低.对于FT-分子筛复合催化剂,合成气首先在高温FT催化剂上生成低碳烃类,然后转移至分子筛孔道内进行芳构化,该方法可以获得较高的CO转化率但芳烃选择性仍比较低.文章还详细描述了针对不同过程的反应器设计,包括单反应器和双反应器.在单反应器中可装填改性FT催化剂或物理混合的复合催化剂.对于复合催化剂,存在两种活性组分的优化反应条件不一致以及混合方式影响反应活性和产物分布等问题.因此,探索更佳的反应工艺条件对于实现合成气直接转化制芳烃的工业应用具有重要意义.双反应器则是将复合催化剂的两种功能组分分开装填,使分步过程分别在各自最佳反应条件下进行,从而避免了不匹配的问题.最后,该综述展望了合成气直接转化制芳烃过程存在的挑战和应用前景,为更好地设计催化剂、构建反应路径和优化工艺条件提供指导.