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。     

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.     

Zn助剂对铁基催化剂费托合成制低碳烯烃性能的影响

低碳烯烃(C2=–C4=)是十分重要的基础化工原料,目前主要采用热裂解或催化裂解石脑油、蜡油等工艺路线生产。近年来,针对全球范围的石油危机及我国富煤贫油这一基本的国情,以煤、天然气(页岩气)和生物质等丰厚的碳资源,经合成气制取低碳烯烃的工艺路线备受关注。其中,合成气经由甲醇或二甲醚间接制取烯烃技术(MTO/MTP)已经工业化;与之相比,费托合成直接生产低碳烯烃(FTO)工艺流程短、投资和操作费用低,具有良好的工业发展前景。目前,费托合成催化剂活性组分的研究主要集中于Fe, Co, Ni和Ru等元素,其中Fe基催化剂具有较高低碳烯烃选择性、较低甲烷选择性和制造廉价等优势,更适合于FTO反应。最近,人们大多聚焦于对负载型铁基催化剂的研究,但传统非负载型铁催化剂由于其制备简单、价格低廉,仍然具有巨大的开发前景。近来,我们组报道了采用微波水热法制备的Zr助剂改性Fe-Zr催化剂应用于CO加氢研究,提高了催化剂的活性,与传统Mn改性铁基催化剂相比, CO2选择性明显降低。目前,已有研究小组对Zn助剂提高铁基催化剂烯烃选择性进行报道,但反应过程中的严重积碳问题却少有研究。我们在Fe-Zr催化剂的基础上,进一步研究了Zn助剂在提高铁基催化剂低碳烯烃选择性、改善产物分布和降低反应过程积碳方面的作用。
　　我们分别采用微波水热法和浸渍法对铁基催化剂进行了Zn改性,并将其用于费托合成制取低碳烯烃反应。运用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、N2物理吸附(BET)、H2程序升温还原(H2-TPR)和X射线光电子能谱(XPS)技术手段对催化剂的物理和化学性质进行了表征。结果表明,两种方法改性后的铁基催化剂具有高低碳烯烃选择性和稳定性,重质烃(C5+)含量降低,且保持低CO2选择性。此外,采用两种方法Zn改性的铁基催化剂展现出了不同的特性。 XRD结果表明,反应前两种方法制备的样品α-Fe2O3物相晶粒大小均为15–18 nm,反应后浸渍法制备的样品对应物相(ZnFe2O4)晶粒大小约为25 nm、而微波水热法制备的样品约为20 nm,说明微波水热法改性的催化剂有效分散了Fe活性组分; H2-TPR结果显示,两种Zn助剂加入方法对催化剂Fe组分的还原行为有不同程度影响,体现了活性组分间不同的相互作用; XPS结果表明, Zn助剂改变了催化剂Fe活性位的化学性质,在微波水热法制得催化剂的表面Zn含量更低、分散度更高,而Zn助剂的加入对Zr组分没有明显影响。所有催化剂经200 h在线活性测试后,采用传统浸渍法制备的催化剂表面有大量积碳生成;而采用微波水热改性铁基催化剂积碳量明显减少,表现出更高的催化活性与稳定性。     

助剂Fe对Ir/SiO2催化剂的巴豆醛选择性加氢性能的影响

以SiO2为载体采用分步浸渍法制备了Fe/Ir/SiO2催化剂,考察了助剂Fe对Ir/SiO2催化剂气相巴豆醛选择性加氢性能的影响.采用X射线粉末衍射(XRD)、CO化学吸附、H2-程序升温还原(H2-TPR)和拉曼光谱(Raman)等技术对催化剂进行了表征.结果表明,助剂Fe能有效提高Ir/SiO2催化剂的巴豆醛转化率和巴豆醇选择性.Fe含量为0.087%的0.087Fe/Ir/SiO2催化剂的反应性能最佳,反应进行9 h的巴豆醛转化率36.9%,巴豆醇选择性83%.随着催化剂CO吸附量的下降(Fe覆盖的增加),催化剂的转换频率(turn over frequency,TOF)明显增加,这表明Fe促进Ir/SiO2催化剂表面活性位的加氢活性.然而,Fe的掺杂使得Ir/SiO2催化剂存在明显的活性下降现象,归因于Fe导致Ir/SiO2催化剂表面积炭和CO中毒.     

Zn助剂对铁基催化剂费托合成制低碳烯烃性能的影响（英文）

低碳烯烃(C_2~=–C_4~=)是十分重要的基础化工原料,目前主要采用热裂解或催化裂解石脑油、蜡油等工艺路线生产.近年来,针对全球范围的石油危机及我国富煤贫油这一基本的国情,以煤、天然气(页岩气)和生物质等丰厚的碳资源,经合成气制取低碳烯烃的工艺路线备受关注.其中,合成气经由甲醇或二甲醚间接制取烯烃技术(MTO/MTP)已经工业化;与之相比,费托合成直接生产低碳烯烃(FTO)工艺流程短、投资和操作费用低,具有良好的工业发展前景.目前,费托合成催化剂活性组分的研究主要集中于Fe,Co,Ni和Ru等元素,其中Fe基催化剂具有较高低碳烯烃选择性、较低甲烷选择性和制造廉价等优势,更适合于FTO反应.最近,人们大多聚焦于对负载型铁基催化剂的研究,但传统非负载型铁催化剂由于其制备简单、价格低廉,仍然具有巨大的开发前景.近来,我们组报道了采用微波水热法制备的Zr助剂改性Fe-Zr催化剂应用于CO加氢研究,提高了催化剂的活性,与传统Mn改性铁基催化剂相比,CO_2选择性明显降低.目前,已有研究小组对Zn助剂提高铁基催化剂烯烃选择性进行报道,但反应过程中的严重积碳问题却少有研究.我们在Fe-Zr催化剂的基础上,进一步研究了Zn助剂在提高铁基催化剂低碳烯烃选择性、改善产物分布和降低反应过程积碳方面的作用.我们分别采用微波水热法和浸渍法对铁基催化剂进行了Zn改性,并将其用于费托合成制取低碳烯烃反应.运用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、N_2物理吸附(BET)、H_2程序升温还原(H_2-TPR)和X射线光电子能谱(XPS)技术手段对催化剂的物理和化学性质进行了表征.结果表明,两种方法改性后的铁基催化剂具有高低碳烯烃选择性和稳定性,重质烃(C_5~+)含量降低,且保持低CO_2选择性.此外,采用两种方法 Zn改性的铁基催化剂展现出了不同的特性.XRD结果表明,反应前两种方法制备的样品α-Fe_2O_3物相晶粒大小均为15–18 nm,反应后浸渍法制备的样品对应物相(ZnFe_2O_4)晶粒大小约为25 nm、而微波水热法制备的样品约为20 nm,说明微波水热法改性的催化剂有效分散了Fe活性组分;H_2-TPR结果显示,两种Zn助剂加入方法对催化剂Fe组分的还原行为有不同程度影响,体现了活性组分间不同的相互作用;XPS结果表明,Zn助剂改变了催化剂Fe活性位的化学性质,在微波水热法制得催化剂的表面Zn含量更低、分散度更高,而Zn助剂的加入对Zr组分没有明显影响.所有催化剂经200 h在线活性测试后,采用传统浸渍法制备的催化剂表面有大量积碳生成;而采用微波水热改性铁基催化剂积碳量明显减少,表现出更高的催化活性与稳定性.     

不同MgO载体对合成低碳烯烃用铁锰基催化剂的影响

采用共沉淀法、硝酸盐热分解法制备的MgO和商品MgO为载体,使用共浸渍法制备了系列FeMn/MgO催化剂,以CO加氢合成低碳烯烃为模型反应,对不同催化剂的反应性能进行了考察,采用X射线光电子能谱、N2物理吸附、X射线物相分析、程序升温还原等表征技术对催化剂的结构和性能进行了表征。结果表明,采用共沉淀法制备的MgO载体比表面积最大,达到203.5m²/g,以此为载体制备的催化剂取得了最优的CO加氢合成低碳烯烃性能。在340℃、2.0MPa、1600h^-1的反应条件下,CO转化率达到91.36%,C₂⁼～C₄⁼选择性为58.48%。催化剂的比表面积大,活性组分分布均匀且在表面含量高及低温还原性能的明显改善是其具有优异的催化性能的重要原因。     

C0加氢合成低碳烯烃K-Fe/ZSM-48催化剂的性能研究

考察了K-Fe/ZSM-48催化剂在CO加氢合成低碳烯烃反应中的催化性能。结果表明,该催化剂有较高的活性和低碳烯烃(C_2~=-C_4~=)选择性。TPR,TPD,XPS和化学吸附测试表明,催化剂有良好的催化性能的原因,在于负载活性组分有较好的还原度和适宜的相分布。钾的加入促进了Fe(Ⅲ)→Fe_3O_4的还原,阶低了H_2/C0的不可逆吸附,使催化剂的活性和选择性得到提高。     

特定碱性MgO纳米晶暴露晶面上铁基催化剂及其费-托合成反应的研究

本研究采用等量浸渍法、化学沉淀法和超声浸渍法合成了一系列具有良好外露晶面的Fe/MgO催化剂。采用X射线粉末衍射、高分辨透射电子显微镜、CO₂程序升温脱附、H₂程序升温还原、X射线光谱学和N₂物理吸附等物理化学方法对催化剂进行了表征。MgO纳米晶载体的碱性会影响费-托合成产物的选择性。在超声浸渍过程中,MgO纳米晶载体的碱性得到了保持。研究结果显示,Fe/MgO催化剂的碱性会提高CO解离速率和产物中烯烃的选择性。此外,相比于MgO（100）晶面,MgO（111）晶面负载铁基催化剂具有更高的活性（TOF）和烯烃选择性。MgO（111）晶面上更有利于CO的吸附,抑制二次加氢反应,提高产物中烯烃的收率。     

金属掺杂对LaFe基钙钛矿催化CO2加氢制低碳烯烃性能影响(英文)

通过溶胶-凝胶法和浸渍法制备K/LaFeBO₃ (B=Cu、Zr、Al、Mn、Ni、Zn)钙钛矿催化剂,结合SEM、XRD、BET、H₂-TPR、CO₂-TPD、TG、XPS等表征,探究了金属掺杂对LaFe基钙钛矿催化CO₂加氢制备低碳烯烃性能的影响。结果表明,Cu和Zn的加入有利于提高Fe分散度并降低还原温度,同时低温下氢的脱附增加且碱性位增多。氧空位迁移变化对催化活性和烯烃选择性有重要影响,当Cu和Zn在B位取代Fe时,氧迁移率增加明显,具有较低结合能的表面晶格氧富集,显著提高了催化活性,促进了低碳烯烃生成。     

Pt/Fe双金属Fischer-Tropsch催化剂的设计、合成及表征

利用强静电吸附(SEA)理论,根据Fe2O3与SiO2表面不同的零电荷点(PZC),将铂盐溶液pH值调控后浸渍在Fe2O3/SiO2的载体上,制备出Pt/Fe双金属Fischer-Tropsch(F-T)催化剂,通过N2吸脱附技术、X射线衍射(XRD)、扫描投射电镜(STEM)和X射线能量散射谱(EDS)对催化剂的结构、形貌及组成进行表征.结果表明浸渍过程中PtCl62-离子定向选择性地吸附在Fe2O3表面,而非SiO2表面.与传统浸渍(IW)法制备的催化剂比较,Pt与Fe紧密结合在一起,还原后形成高度分散均一的纳米颗粒,粒径尺寸在2 nm左右.以F-T合成反应作为模型反应对催化活性进行表征,强静电吸附法合成的催化剂表现出优异的催化性能,反应进行150 h后CO转化率仍保持在51%以上.     

Study of an iron-based Fischer–Tropsch synthesis catalyst incorporated with SiO2

The effect of adding SiO₂ to a precipitated iron-based Fischer–Tropsch synthesis (FTS) catalyst was investigated using N₂ physical adsorption, H₂ differential thermogravimetric analysis, temperature-programmed reduction/desorption (TPR/TPD) and Mössbauer spectroscopy. The FTS performances of the catalysts with or without SiO₂ were compared in a fixed bed reactor. The characterization results indicated that SiO₂ facilitates the high dispersion of Fe₂O₃ and significantly influences the Fe/Cu and Fe/K contacts, which play an important role in the surface basicity, reduction and carburization behaviors, as well as the FTS performances. The incorporation of SiO₂ enhances the Fe/Cu contact, further enlarges the H₂ adsorption and promotes the reduction of Fe₂O₃ → FeO_x, while the transformation of FeO_x → Fe is suppressed probably due to the strong Fe–SiO₂ interaction. SiO₂ indirectly weakens the surface basicity and severely suppresses the carburization and CO adsorption of the catalyst. In the FTS reaction, it was found that SiO₂ decreases the FTS initial activity but improves the catalyst stability. Due to the lower surface basicity than the catalyst without SiO₂, the catalyst incorporated with SiO₂ has higher selectivity to light hydrocarbons and methane and decreased selectivity to the olefins and heavy hydrocarbons.     

The sol-gel derived Co-Mn/TiO_2 catalysts for light olefins production

In this research work,two 30%(Co-Mn)/TiO2catalysts were prepared using sol-gel(catalyst A)and coprecipitation(catalyst B)methods.The activity and selectivity to C2~4light olefins in Fischer-Tropsch synthesis(FTS)has been studied in a fixed-bed reactor under different operational conditions.These operational conditions were:temperature220~280℃,and total pressure from0.1~0.6 MPa.The optimum operating conditions were investigated after steady state.As the results shown,the catalyst A was more selective to C2~4olefins(58.7%in 260℃)and catalyst B was more selective to C5+hydrocarbons.Characterization of both catalysts was carried out by using X-ray diffraction(XRD),scanning electron microscopy(SEM)and N2adsorption-desorption measurements methods.     

Fischer-Tropsch synthesis by nano-structured iron catalyst

Effects of nanoscale iron oxide particles on textural structure, reduction, carburization and catalytic behavior of precipitated iron catalyst in Fischer-Tropsch synthesis (FTS) are investigated. Nanostructured iron catalysts were prepared by microemulsion method in two series. Firstly, Fe2O3, CuO and La2O3 nanoparticles were prepared separately and were mixed to attain Fe/Cu/La nanostructured catalyst (sep-nano catalyst); Secondly nanostructured catalyst was prepared by co-precipitation in a water-in-oil microemulsion method (mix-nano catalyst). Also, conventional iron catalyst was prepared with common co-precipitation method. Structural characterizations of the catalysts were performed by TEM, XRD, H2 and CO-TPR tests. Particle size of iron oxides for sep-nano and mix-nano catalysts, which were determined by XRD pattern (Scherrer equation) and TEM images was about 20 and 21.6 nm, respectively. Catalyst evaluation was conducted in a fixed-bed stainless steel reactor and compared with conventional iron catalyst. The results revealed that FTS reaction increased while WGS reaction and olefin/paraffin ratio decreased in nanostructured iron catalysts.     

Effect of interaction between potassium and structural promoters on Fischer–Tropsch performance in iron-based catalysts

The Fischer–Tropsch synthesis (FTS) performances of iron-based catalysts promoted with/without potassium compounds containing different acidic structural promoters (Al₂O₃, SiO₂, and ZSM-5) were studied in this research. Characterization technologies of temperature-programmed reduction with CO (CO-TPR), powder X-ray diffraction (XRD) and Mössbauer effect spectroscopy (MES) were used to study the effect of K–structural promoter interactions on the carburization behaviors of catalysts. It showed that the addition states of potassium (K–Al₂O₃, K–SiO₂, K–ZSM-5 and K-free) have a significant influence on the formation of iron carbides, which shows a following sequence in promotion of carburization: K–Al₂O₃ > K–SiO₂ > K–ZSM-5 > K-free. The FTS reaction test was performed in a fixed bed reactor. It is found that Fe/K–Al₂O₃ catalyst leads to the highest CO conversion, Fe/K–ZSM-5 catalyst shows the highest H₂ conversion, and Fe/K-free catalyst shows the lowest CO and H₂ conversion. As for the hydrocarbon selectivity, Fe/K–SiO₂ catalyst yields the lowest methane and the highest C₅⁺ products, Fe/K–ZSM-5 catalyst yields higher methane and the highest liquid hydrocarbon product, whereas Fe/K-free catalyst yields the highest methane and the lowest C₅⁺ products. These results can be explained from the interaction between potassium and structure promoters, and the spillover of reactants or intermediates from Fe sites to the surfaces of structural promoters.     

不同硅源的Cu/SiO2催化糠醛加氢制2-甲基呋喃

以硅溶胶和气相二氧化硅为载体,采用氨蒸法制备了Cu/SiO₂-sol和Cu/SiO₂-aer两种催化剂,采用N₂吸附脱附、X射线衍射（XRD）、傅里叶红外光谱（FT-IR）、透射电子显微镜（TEM）、N₂O-H₂滴定、氢气程序升温还原（H₂-TPR）、氨程序升温脱附（NH₃-TPD）及X射线光电子能谱（XPS）对样品进行表征,在固定床反应器中考察两种催化剂对糠醛气相加氢制2-甲基呋喃的催化性能。结果表明,Cu/SiO₂-sol催化剂具有更好的催化活性,在150 h反应时间内,糠醛转化率为100%,2-MF选择性在91%以上。这主要归因于以硅溶胶为硅源可以生成更多页硅酸铜,还原后催化剂表面Cu的分散性更高、弱酸位更多,有利于提高糠醛的转化率与2-甲基呋喃的选择性。同时Cu/SiO₂-sol具有较大的孔容孔径,有利于降低反应过程中积炭,延长催化剂寿命。     

硅纳米管负载的钌基催化剂费-托合成催化性能研究

以模板法合成的硅纳米管（SNT）为载体,用浆态浸渍法制备了钌基催化剂,采用氮气物理吸附、透射电子显微镜（TEM）、X射线粉末衍射（XRD）和氢气程序升温还原（H₂-TPR）等手段对其进行了表征。在固定床反应器上（503K,1.0MPa）考察了该催化剂的费-托合成反应活性及产物选择性,并与用商业二氧化硅为载体制备的催化剂上的反应结果进行了比较。结果表明,SNT和SiO₂负载的氧化钌在623K可被H₂完全还原;SNT负载的钌基催化剂上,钌氧化物颗粒较小、分散性好,还原后钌颗粒被较好地分散在硅纳米管上,且几乎所有的钌颗粒都分布在管内。与以SiO₂为载体的催化剂相比,以硅纳米管为载体的钌基催化剂具有较高的费-托合成活性。     

水热法Fe-Mn催化剂制备及其合成气制低碳烯烃催化活性

以水热合成法制备了K原位改性的Fe-Mn催化剂,考察了其CO加氢合成低碳烯烃催化活性。采用SEM、TEM、XRD、H₂-TPR和FT-IR等手段对催化剂进行了表征。结果表明,制备的催化剂前驱体呈50~70 nm的球形颗粒,表面富含羰基和羟基,物相组成以Fe₃O₄为主,用于反应后有Fe₅C₂和MnCO₃相生成。与共沉淀法制备催化剂相比,在设定的反应条件下,不同K含量改性的催化剂均具有较高的活性,以原料配比Fe:Mn:C₆:K=3:1:5:0.10的催化剂性能最佳,CO转化率达95.02%,总低碳烯烃收率为62.86 g/m³(H₂+CO),CH₄和CO₂选择性分别为13.88%和13.98%。     

载体效应对Ru催化剂F-T反应性能的影响

采用浸渍法将Ru负载于SiO₂、Al₂O₃和Beta分子筛制备了不同载体的Ru基F-T合成催化剂。通过N₂-物理吸附、XRD、NH₃-TPD、H₂-TPR、H₂-TPD、XPS和CO-DRIFTS等表征方法对不同催化剂的织构、物相、酸性、还原性质、吸附性能和电子状态信息进行了考察,并对不同载体催化剂的F-T反应性能及产物分布进行了研究。结果表明,不同载体Ru基催化剂在金属分散度、还原性质、对氢气吸附性能和电子状态等方面均存在较大差异。其中,酸性较弱的Ru/SiO₂催化剂具有较弱的金属载体相互作用、较小的颗粒粒径和较高的电子密度,同时该催化剂的Ru金属平台位点较多,导致其在F-T反应过程中表现较好的反应稳定性,其产物以重质烃为主,CH₄和轻质烃选择性较低。     

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).     

CuFe@SiO_2催化剂的制备及其在CO加氢合成低碳醇中的应用

采用共还原-原位包覆法制备一系列SiO_2包覆铜铁双金属纳米颗粒的催化剂(CuFe@SiO_2),借助N_2物理吸附、XRD、TEM、SEM-EDS、XPS和H_2-TPR等手段对不同Cu/Fe物质的量比的CuFe@SiO_2催化剂的物理化学性质进行了表征,并考察了催化剂在CO加氢合成低碳醇中的催化反应性能。结果表明,所制得的催化剂均为孔分布处于介孔范围的SiO_2包覆的铜铁纳米颗粒。随着Cu/Fe物质的量比降低,铜铁以复合氧化物存在的比例、总醇及C_(2+)OH选择性先增大后减小。其中,总醇及C_(2+)OH选择性在Cu/Fe物质的量比为1时达到最大,这是由于此时催化剂存在较多的CuFe_2O_4复合氧化物,铜铁协同作用较强,同时催化剂也呈现较大的比表面积及孔容,有利于所生成的醇更快扩散至催化剂表面而避免二次加氢生产烃类。