碳纳米管封装铁纳米粒子催化剂上CO加氢制低碳烯烃（英文）

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I–3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(Fe Ox/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Fe Ox/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Fe Ox/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Fe Ox/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.     

高分散费-托合成铁/活性炭催化剂的研究 Ⅳ.催化剂特性

使用原位穆斯堡尔谱和微型反应器考察了铁/活性炭催化剂在不同物相时的F-T反应性以及在实际反应中的物相及其变化,并讨论了铁/活性炭系催化剂不同于传统F-T铁催化剂的特性。发现金属态铁比还原到Fe_3O_4时具有高得多的活性和对烯烃和高碳烃的选择性。在实际反应中,金属铁可转化为碳化铁(ε’-Fe_(2·2)C、ε-Fe_2C和x-Fe_5C_2)并受担载铁粒径的制约,但这些碳化铁与F-T反应性间似没有确定的相依关系。影响F-T反应性的主要是铁在载体上的分散度以及铁质,即活性炭与载体的相互作用。铁与活性炭间合适的相互作用既使铁有较高的还原度,又可能调变铁的电子性不仅是载体,还可能起着电子给予体的作用,促进碳链的增长。而活性炭丰富的微孔又限制了过长链烃的生成。这些特点使得铁/活性炭催化剂具备活性高、气态烯烃和高碳烃(C_5~+)选择性高以及烃分布相对集中的优点。     

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。     

铁基超细粒子催化剂的F-T反应性能研究——Ⅰ.Fe-Mn催化剂的反应性能、活性相结构及锰的作用

由复合物控制降解法制得的Fe-Mn超细粒子催化剂同时具有高的CO转化率和较高的低碳烯烃选择性,并能一定程度地抑制甲烷和高沸点烃的生成。反应初期催化剂的活性相是在不断变化的,导致了F-T活性和选择性随反应时间的不断改变。类尖晶石相(Mn_xFe_(3-x)O_4)是高转化率条件下稳定的F-T活性相。在稳态条件下,Mn主要以MnCO_3形式存在,它与铁物相紧密接触可以显著提高低碳烯烃选择性和降低甲烷选择性。     

Zn助剂对铁基催化剂费托合成制低碳烯烃性能的影响（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.     

不同载体稳定的纳米金催化剂室温催化氧化甲醛研究

甲醛是一种常见的室内空气污染物,人们针对其消除已经做了大量的研究工作.催化氧化法是脱除挥发性有机物的一种重要方法,能在较低温度下通过催化剂作用将甲醛完全氧化为无毒的CO2和H2O.所用催化剂主要为负载型贵金属催
　　化剂和非贵金属催化剂,但只有担载贵金属Pt或Pd的催化剂可在室温下将甲醛完全氧化,而非贵金属一般则需要较高的温度. Au催化剂是近年来催化领域的一个研究热点,但是关于纳米Au催化剂室温消除甲醛的研究较少.本课题组前期研究发现,以可还原性氧化物(CeO2, FeOx)为载体负载的Au催化剂具有优异的室温氧化甲醛活性;并且突破以可还原性载体负载金的传统思路,首次发现“惰性载体”γ-Al2O3,负载的金催化剂在室温、有水条件下具有优异的甲醛氧化活性.本文对比了还原性氧化物(CeO2, FeOx)和非还原性氧化物(Al2O3, SiO2和HSZM-5)载体负载金催化剂,研究了载体氧化还原性质对负载金催化剂在高空速(600000 ml/(g·s))条件下室温催化氧化甲醛的活性和稳定性影响.结果表明,在室温、高空速且相对湿度为50%的条件下, Au/Al2O3催化剂的初活性最高,且较为稳定. Au/SiO2和Au/HZSM-5催化剂的初活性虽然较高,但很快失活.而还原性氧化物载体(CeO2, FeOx)负载的金催化剂初活性较低,但是稳定性较好.通过电镜对负载金催化剂表面Au粒子大小的表征,并将粒子尺寸与负载金催化剂室温氧化甲醛初活性相关联,它与催化氧化甲醛反应速率成线性关系. Au粒子尺寸较小的催化剂(Au/Al2O3和Au/SiO2),在高空速条件下具有更高的氧化甲醛活性,而Au粒子尺寸较大的Au/FeOx催化剂活性较差.载体的氧化还原性质虽然不直接影响Au催化剂初活性,但直接影响催化剂稳定性.由于Au与SiO2或HZSM-5载体的相互作用较弱,导致反应过程中Au粒子聚集长大,使其失活较快;而Au/Al2O3催化剂表面则富含羟基物种,能够与Au形成配体或产生锚定作用,因此反应过程中金粒子没有明显长大.而表面中间物种的沉积并覆盖活性位是负载金催化剂缓慢失活的主要原因.     

浸渍钠对铁基催化剂F-T合成浆态床反应性能的影响

以FeCuK/Si O2为母体催化剂,通过乙酸钠浸渍得到一组不同Na含量的费托合成铁基催化剂.采用原子发射光谱、低温N2吸附、程序升温还原和M ssbauer谱等技术对催化剂进行了表征.在H2/CO摩尔比为0.67,空速为2 000 h-1,压力为1.5 MPa和温度为250℃的条件下进行了浆态床F-T合成反应性能评价实验.结果表明,浸渍少量Na能提高催化剂的比表面积,促进铁物相的分散,而浸渍大量Na却大大降低了催化剂的比表面积,使催化剂中的铁物相聚集形成较大的颗粒;浸渍Na抑制了催化剂在H2中的第一步还原,但促进了催化剂在CO中的碳化;在原位合成气还原过程中,浸渍Na有利于催化剂的碳化.在500 h的运行实验中,浸渍Na的催化剂均表现出不同程度的失活现象.反应结果表明,浸渍Na对水煤气变换反应活性影响不大,对费托合成反应活性和烃产物选择性有较大的影响.在铁基催化剂上浸渍Na有利于C12 重质烃和低碳烯烃的生成.     

F—T合成Fe—Mn超细粒子催化剂的表面结构

本工作利用XPS研究了用于F-T合成的加K助剂的Fe-Mn超细粒子催化剂的表面结构,考察了制备方法和预处理条件对催化剂表面结构的影响。在合成气处理条件下,伴随着Mn向表面迁移并产生富集。催化剂表面显著富K;适当的Mmt和富集有利于提高低碳烯烃选择性,同时活性不会明显降低。催化剂还原可以用“内还原模型”来描述,依还原程度不同。表面形成不同的Fe~3+、Fe~(?)、Fe_3O_4、x-Fe(?)C(?)、Mn~(3+)、Mn~(3+)的混合物,Mn的加入促进了表面铁物种的还原与碳化,合成气氛下,催化剂表面形成了三种不同的表面碳物种:烃类碳、石墨型碳(284.6eV)以及碳化物碳(283.2eV)。     

焙烧温度对Fe-Mn催化剂结构和F-T合成性能影响

研究了焙烧温度对Fischer-Tropsch(F-T)合成Fe-Mn催化剂的织构性质、还原行为以及在还原和反应过程中结构变化的影响；在H2/CO=2.0、260 ℃、2.5 MPa和1 000 h－1条件下在固定床反应器上考察了焙烧温度对Fe-Mn催化剂F-T合成反应活性、烃产物选择性和运行稳定性的影响。XRD和TPR结果表明，随着焙烧温度的升高，催化剂中α-Fe2O3晶粒增大，催化剂比表面积降低，促进Mn3+渗入α-Fe2O3晶格中，形成了铁锰固溶体物相，使得催化剂难于还原，当焙烧温度升高到700 ℃时，催化剂中的α-Mn2O3相完全消失。催化剂F-T合成反应评价表明，在不降低催化剂活性的同时，焙烧温度的升高可显著地提高催化剂的反应运行稳定性，并促使烃产物分布向高碳数方向偏移；600 ℃焙烧的Fe-Mn催化剂运行200 h，总体活性高，失活速率较低，对低碳烯烃和中间馏分油段产物选择性好。     

通过FeOx修饰Pd/Al2O3催化剂提高催化1,3-丁二烯加氢活性和选择性

石油脑裂解制备的烯烃流中通常含有 ～1％ 二烯烃或者炔烃,其含量必须降低到10 ppm以下以避免其对下游聚合催化剂的毒化作用.对这些副产物选择性加氢生成单烯烃是降低其含量最有前景的方法.Pd基催化剂具有高的加氢活性和选择性,是目前最为常用的加氢催化剂,但是它也存在高转化率下选择性较低和容易因积碳而失活的问题.合成Pd基双金属催化剂和对Pd催化剂进行氧化物包裹是目前最为常用的方法,但是这两种方法往往在提高选择性的同时,降低了Pd催化剂的加氢活性.本文利用原子层沉积(ALD)FeOx修饰Pd/Al2O3催化剂,在提高Pd催化剂选择性的同时,1,3-丁二烯选择性加氢活性也得到提高.表征结果发现,该样品中Pd负载量为1％,Fe负载量则随着原子层沉积FeOx周期增加而逐渐增加;催化剂中Pd颗粒大小约为7 nm,其表面并未观察到FeOx覆盖层;Pd,Fe元素分布表明FeOx在Pd颗粒表面生长.CO红外漫反射光谱也发现,随着ALD FeOx周期的增加,CO在Pd颗粒表面的吸附特征峰强度逐渐降低,表明FeOx逐渐覆盖Pd颗粒表面;与此同时,随着FeOx包裹周期的增加,CO吸附在Pd(111)面的特征吸收峰相对于其吸附在边角位的特征峰,降低得更为明显.这表明FeOx优先覆盖Pd(111)面,而选择性地将Pd低配位点暴露,与ALD Al2O3包裹Pd颗粒的结果恰恰相反.X射线光电子能谱分析表明,在所有催化剂中Fe均以+3价形式存在;同时,因为Pd-FeOx间存在强相互作用,所以随着FeOx包裹周期的增加,金属态Pd逐渐向高结合能方向移动,使表面Pd处于缺电子状态.随后,我们对不同FeOx周期包裹Pd催化剂进行了1,3-丁二烯加氢活性测试.在25 oC时Pd/Al2O3催化1,3-丁二烯转化率为6.7％;随着温度升高,转化率逐渐上升,至43 oC时达100％.相反,在26 oC时,30Fe/Pd/Al2O3对1,3-丁二烯的转化率为45％,远高于Pd/Al2O3催化剂;这可能是因为缺电子的Pd或Pd-FeOx界面存在所致.Pd/Al2O3催化剂在较低的转化率(<75％)下,1-丁烯、反式-2-丁烯和顺式-2-丁烯选择性分别为74％,20％和6％;随着转化率的增加(75％～90％),1-丁烯选择性急剧下降,丁烷选择性快速上升,反/顺-2-丁烯选择性也略有增加,表明此时次级反应1-丁烯加氢占主导,同时伴随着1-丁烯异构化反应;当转化率继续增加(>90％),1-丁烯,反/顺-2-丁烯加氢生成丁烷为主要反应,此时丁烷选择性急剧上升,至转化率为99％时,丁烯选择性仅为52％.而当Pd催化剂表面存在FeOx时,丁烯选择性随着FeOx周期增加而逐渐增加,尤其是在较高转化率下(>75％);对于30Fe/Pd/Al2O3催化剂,转化率为99％时,丁烯选择性高达95％.这主要是因为在高转化率下,FeOx将Pd颗粒表面分割成较小的Pd团簇,降低了Pd颗粒表面吸附氢气浓度,抑制了丁烯加氢反应,而次级反应1-丁烯异构化占主导,使得丁烯选择性不变.     

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.     

Suppression of methane formation during Fisher-Tropsch synthesis using manganese-cobalt oxide supported on H-5A zeolite as a catalyst

In Fischer-Tropsch synthesis reaction, methane formation is one of the side reactions which must be suppressed in order to get better catalytic selectivity for light olefins. In the present study, we have modified cobalt based Fischer-Tropsch catalyst and developed a process to minimize methane production, consequently to produce maximum yield of light olefins. Manganese-cobalt oxide supported on H-5A zeolite catalyst was synthesized using modified H-5A zeolite, to increase its surface acid sites. Increased acidity of zeolite plays a major part in the suppression of methane formation during the Fischer-Tropsch reaction. The modified zeolite results in the electronic modification of catalyst surface by creating new active catalytic sites. The results are compared with other supported catalysts along with unmodified zeolite. Appreciable reduction in methane formation is achieved on modified zeolite supported catalyst in comparison with unsupported catalyst.     

Synthesis and characterization of niobium-promoted cobalt/iron catalysts supported on carbon nanotubes for the hydrogenation of carbon monoxide

Bimetallic Co /Fe catalysts supported on carbon nanotubes( CNTs) were prepared,and niobium( Nb) was added as promoter to the 70 Co ∶30Fe /CNT catalyst. The physicochemical properties of the catalysts were characterized,and the catalytic performances were analyzed at the same operation conditions( H_2 ∶CO( volume ratio) = 2 ∶1,p = 1 MPa,and t = 260 ℃) in a tubular fixed-bed microreactor system. The addition of Nb to the bimetallic catalyst decreases the average size of the oxide nanoparticles and improves the reducibility of the bimetallic catalyst. Evaluation of the catalyst performance in a Fischer-Tropsch reaction shows that the catalyst results in high selectivity to methane,and the selectivity to C_(5+) increased slightly in the bimetallic catalyst unlike that in the monometallic catalysts. The addition of 1% Nb to the bimetallic catalyst increases CO conversion and selectivity to C_(5+). Meanwhile,a decrease in methane selectivity is observed.     

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).     

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。     

Alumina-supported iron catalyst - long-term study of the light product distribution in Fischer-Tropsch synthesis

Several models have been proposed to describe the carbon number product distribution and mechanism in Fischer-Tropsch synthesis (FTS). However, these models have not fully explained the product distribution and mechanism owing to the wide range and complexity of hydrocarbons in FTS. This study was conducted based on the Yao and Anderson-Schulz-Flory (ASF) carbon number product distribution models for light (C₁–C₆) hydrocarbon products of a Fe/Al₂O₃ catalyst. The product distribution based on the molar ratio of olefin to paraffin (O/P) and the neighboring olefins was also studied in order to better understand the mechanism in FTS and C₂ olefin deviation during FTS.Two sets of experiments (A and B) with different reaction conditions were conducted in microtubular fixed-bed reactors on the Fe/Al₂O₃ catalyst for 2249 h and 360 h, respectively. We found that the α values from the Yao and ASF carbon number product distribution models are relatively similar. The α values from the Yao carbon number product distribution plots are relatively constant, irrespective of the reaction conditions.Interestingly, it was also found that the secondary reactions of the C₂ olefin by re-adsorption to produce paraffins and long-chain olefins are dependent on the CO conversion and the reaction temperature during the FTS. Also, the product distribution of the neighboring olefins during the reduction condition gave a similar trend to what was observed for other reaction conditions. This result confirmed what was observed in the Yao and ASF carbon number product distribution of the olefins.     

在Raney Fe催化剂上F-T合成产物的分布和选择性

在浆态相Ｆ－Ｔ合成的连续搅拌釜反应器中,研究了ＲａｎｅｙＦｅ系列催化剂和其它工业铁基催化剂的性能。结果发现,ＲａｎｅｙＦｅ的前驱体对其性能影响很大。由Ａ１／Ｆｅ比为３的合金得到的ＲａｎｅｙＦｅ表现出了良好的活性稳定性,常规条件下ＣＯ的转化接近完全,其较大的中孔分布可能对初级产物的扩散限制较小,因而生成的２－烯烃和异构烃就少。也比较分析了催化剂固载量和粒度对ＲａｎｅｙＦｅ上的烷烃选择性的影响。此外,从产物分布的规律来看,在ＲａｎｃｙＦｅ催化剂上以生成高碳数烷烃和低碳数烯烃为主。     

Effect of niobium promoter on iron-based catalyst for Fischer-Tropsch reaction

Niobium-promoted Fe/CNTs catalysts were prepared using a wet impregnation method.Samples were characterized by nitrogen adsorption,H2-TPR,TPD,XRD and TEM.The Fischer-Tropsch Synthesis(FTS) was carried out in a fixed-bed microreactor at 220 ℃,1 atm and H2/CO=2 for 5 h.Addition of niobium into Fe/CNTs increased the dispersion,decreased the average size of iron oxide nanoparticles and the catalyst reducibility.Niobium-promoted Fe catalyst resulted in appreciable increase in the selectivity of C5+ hydrocarbons and suppressed methane formation.These effects were more pronounced for the 0.04%Nb/Fe/CNTs catalyst,compared to those observed from other niobium compositions.The 0.04%Nb/Fe/CNTs catalyst enhanced the C5+ hydrocarbons selectivity by a factor of 67.5% and reduced the methane selectivity by a factor of 59.2%.     

Stability and reactivity of ϵ-χ-θ iron carbide catalyst phases in Fischer-Tropsch synthesis: controlling μ(C)

The stability and reactivity of ?, χ, and θ iron carbide phases in Fischer-Tropsch synthesis (FTS) catalysts as a function of relevant reaction conditions was investigated by a synergistic combination of experimental and theoretical methods. Combined in situ X-ray Absorption Fine Structure Spectroscopy/X-ray Diffraction/Raman Spectroscopy was applied to study Fe-based catalysts during pretreatment and, for the first time, at relevant high pressure Fischer-Tropsch synthesis conditions, while Density Functional Theory calculations formed a fundamental basis for understanding the influence of pretreatment and FTS conditions on the formation of bulk iron carbide phases. By combining theory and experiment, it was found that the formation of θ-Fe(3)C, χ-Fe(5)C(2), and ?-carbides can be explained by their relative thermodynamic stability as imposed by gas phase composition and temperature. Furthermore, it was shown that a significant part of the Fe phases was present as amorphous carbide phases during high pressure FTS, sometimes in an equivalent amount to the crystalline iron carbide fraction. A catalyst containing mainly crystalline χ-Fe(5)C(2) was highly susceptible to oxidation during FTS conditions, while a catalyst containing θ-Fe(3)C and amorphous carbide phases showed a lower activity and selectivity, mainly due to the buildup of carbonaceous deposits on the catalyst surface, suggesting that amorphous phases and the resulting textural properties play an important role in determining final catalyst performance. The findings further uncovered the thermodynamic and kinetic factors inducing the ?-χ-θ carbide transformation as a function of the carbon chemical potential μ(C).