用脉冲D2反应研究CeO2在Co-CeO2/SiO2费托合成催化剂中的促进作用机理

 采用脉冲D2反应研究了CeO2在Co-CeO2/SiO2费托合成催化剂中的作用机理. 通过比较在Co-CeO2/SiO2和Co/SiO2催化剂上的脉冲D2反应实验结果发现, CeO2可以提高载体表面 Si-OH 的H-D同位素交换活性和 Si-OH 中H参与CO加氢反应的活性; CeO2不仅增加了催化剂表面活性碳物种的总量,而且活性碳物种以链增长单体-CH2-为主,因而有利于增加费托合成反应速率和链增长几率; CeO2的加入明显提高了催化剂表面碳原子的加氢反应速率,从而减少了碳沉积.     

Co/ZrO2/SiO2催化剂费-托合成反应动力学研究Ⅱ. 动力学模型的构建和回归

 在典型的Co系催化剂工业操作条件范围(T=473～503 K,p=1.5～4.0 MPa, H2/CO体积比=1.0～3.0)内,采用等温积分固定床反应器对Co/ZrO2/SiO2催化剂进行了F-T合成反应动力学研究. 依据详细可靠的基元反应机理,按照Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson动力学推导方法,获得了Co系催化剂上基于详细反应机理的动力学模型. 通过动力学实验数据的回归分析,发现基于COs直接解离并以烷基为链增长中间体的表面碳物种机理的动力学模型可以较好地描述Co/ZrO2/SiO2催化剂上的F-T合成反应结果,该模型可自洽地描述F-T合成过程中的合成气消耗和烃产物分布状况,且获得的反应活化能等关键动力学参数与文献报道的理论结果基本一致.     

用UBI-QEP方法分析钴系Fischer-Tropsch合成催化反应机理

采用unity bond index-quadratic exponential potential(UBI-QEP)方法, 以Co(0001) 单晶为模型催化剂, 对Fischer-Tropsch(F-T)合成的三种可能反应机理(表面碳化物机理、烯醇机理和CO插入机理)进行了全面的能学分析. 计算结果表明, 通过表面碳化物机理生成烃类产物从能学角度看较为合理, 其中CO_ads表面解离和C_ads加氢具有较高的活化能垒, 可能是整个F-T反应序列中的慢步骤; 通过CH_2,ads插入金属-烷基键实现链增长的活化能垒最低, 是能量上有利的链增长方式; 在Co(0001)晶面上烷基经β-H消除生成烯烃的活化能垒低于加氢生成烷烃, 而通过CO插入机理生成的有机含氧化合物的二次反应能垒较低, 从而导致其在Co催化剂上的低选择性. 此外, 与Fe/W(110)相比, Co金属上的CH_x,ads加氢以及CH_2,ads插入的活化能垒较低, 从而解释了Co催化剂上甲烷选择性较高和倾向于生成重质烃类产物的特性.     

Li助剂对Co/AC催化剂上CO加氢制直链混合伯醇反应性能的影响

采用CO加氢反应、X射线衍射、程序升温还原和CO程序升温脱附等技术研究了Li助剂对活性炭负载的Co催化剂(Co/AC)上CO加氢反应性能的影响.结果表明,Li的添加抑制了气态烃的生成,提高了C5+和直链混合伯醇的选择性,但催化剂活性下降.这可能源于Li的加入抑制了Co2+物种的还原,降低了反应速控步骤—强吸附CO的解离...     

碳络羰基铁簇用于费托合成低碳烃

在费托反应合成烃类的研究方面,有关CO解离和碳化物形成机理已为众多的学者所接受。铁催化剂与合成气作用,易于生成碳化物和氧化物。一般认为碳化物是甲烷和链增长的中间物种。通过金属有机化合物的研究,M_4C、M_3CH,M_2CH_2和M_1CH_3(M=金属)均已被合成、分离和鉴定,并巳知这些碳化物的加氢活化能的顺序为M_4C>M_3CH>M_2CH_2>M_1CH_3。     

在Co/SiO2作催化剂的Fischer-Tropsch反应中温度对合成气吸附行为及稳定性的影响

考察了反应温度对Co/SiO2催化剂在Fischer-Tropsch(F-T)合成中合成气吸附行为及稳定性的影响. 采用FTIR, TPSR, XRD, BET, HTPD和TPR等手段对催化剂进行了表征. 结果表明, CO在催化剂表面的吸附为活化吸附, 在270 ℃仍稳定存在, 随着反应温度的升高, 催化剂上发生的主反应由CO加氢链增长反应向Boudouard反应转化, 当反应温度≥350 ℃时, 以Boudouard反应为主. 另外, 随反应温度升高, 金属钴的烧结现象变得明显, 并伴随着硅酸钴或水合硅酸钴物种的生成. 在催化剂的失活因素中, 烧结为主要原因.     

锂助剂对Rh-Mn/SiO2催化CO加氢制碳二含氧化合物性能的影响

 采用 CO 加氢反应、静态化学吸附、程序升温还原、CO 程序升温脱附和程序升温表面反应等技术研究了助剂 Li 对 Rh-Mn/SiO2 催化剂上 CO 加氢合成碳二含氧化合物性能的影响. 结果表明, Li 的加入及其负载量的增加抑制了烃类, 特别是 CH4 的生成, 而对碳二及碳二以上烃类的选择性影响较小. Li 的加入还提高了碳二含氧化合物的选择性, 主要是乙酸的选择性, 但同时降低了 Rh 基催化剂的 CO 加氢活性. 表征结果表明, Li 的加入既降低了催化剂解离 CO 的能力, 又减少了催化剂上 CO 解离活性位的数量, 从而降低了 Rh 基催化剂上 CO 加氢的速控步骤——CO 解离反应的速率. Li 负载量对 Rh-Mn/SiO2 催化剂上 H2 和 CO 的化学吸附量影响较小, 这表明并非所有的 Li 都和 Rh 发生了相互作用, 而是有相当一部分 Li 只是分散在载体 SiO2 上, 并没有与 Rh 发生接触.     

Effects of Li Promoter on the Performance of Co/AC Catalysts for CO Hydrogenation to Mixed Linear a-Alcohols

采用CO加氢反应、X射线衍射、程序升温还原和CO程序升温脱附等技术研究了Li助剂对活性炭负载的Co催化剂(Co/AC)上CO加氢反应性能的影响.结果表明,Li的添加抑制了气态烃的生成,提高了C5+和直链混合伯醇的选择性,但催化剂活性下降.这可能源于Li的加入抑制了Co2+物种的还原,降低了反应速控步骤—强吸附CO的解离能力.另外,Li也促进了Co2C物种的生成,使得产物中混合醇的比例增加.     

不同晶面Co基催化剂上CO活化行为研究

本研究用溶剂热法合成了三种暴露不同晶面的Co基催化剂,排除载体、助剂、晶粒尺寸等参数的影响,通过程序升温脱附、原位拉曼光谱、原位漫反射红外光谱等表征手段和化学瞬变反应技术,对不同晶面Co催化剂在费托反应过程中CO活化行为进行了研究。结果表明,CO的活化在不同晶面的Co基催化剂上具有结构敏感性。Co（10-11）晶面上CO以直接解离的方式进行活化,且CO解离生成的碳物种部分形成积炭,其余碳物种加氢生成CH_x;Co（0001）晶面上CO以氢助解离的方式活化,大量解离为积炭,少量碳物种氢化为CH_x;Co（11-20）晶面上CO直接解离,该催化剂上CO弱解离得到微量的积炭,其余碳物种在氢的存在下生成微量的CH_x中间体。     

不同粒径的Ni/SiO2催化剂上CH4和CO2吸附活化的漫反射傅里叶变换红外光谱研究

 采用原位漫反射傅里叶变换红外光谱研究了CH4和CO2在不同粒径的Ni/SiO2催化剂上的吸附及活化. 结果表明,在不同粒径的催化剂上,检测到有CH4解离生成的CHx(x=1～3)物种,以及催化剂表面吸附的CHx物种与表面-OH 作用生成的CHx-O物种. CH4的裂解强烈依赖于催化剂表面Ni颗粒的大小,在粒径8 nm左右的Ni颗粒上, CH4较易解离; CO2难以直接在Ni/SiO2催化剂表面发生解离吸附,但CH4解离生成的吸附H对CO2的解离吸附具有明显的促进作用; CH4与CO2共吸附时,较小粒径的Ni可以促进CO2与表面氧物种发生反应,生成单齿表面碳酸盐物种.     

Thermokinetic study of Fischer–Tropsch synthesis on Fe2Cu1 and FeCu surfaces with comparison to Fe(110) and Cu(111) catalysts by the UBI-QEP method

The purpose of this study is to predict the activation barriers and enthalpy for elementary steps in the process of Fischer–Tropsch (F-T) on the surfaces of Fe(110), Cu(111) and Fe/Cu alloys catalyst using “Unity Bond Index-Quadratic Exponential Potential” method aimed at predicting the activity and selectivity on the basis of energy criteria. The elementary steps, such as dissociation of CO, hydrogenation of carbidic carbon, C–C chain growth by insertion of CH₂ versus CO into the metal-alkyl bonds, and chain termination, which lead to hydrocarbons (alkanes versus α-olefins) or oxygenates are discussed in detail. The results show that metallic Fe(110) is necessary to produce the carbidic carbon from CO dissociation, but the synthesis of hydrocarbons and oxygenates can effectively proceed on Cu(111) surface. For optimum performance of F-T synthesis catalyst, these conflicting properties must be optimized. In this regard, we studied Fe/Cu alloy catalyst. On all the catalyst surfaces, the energetically preferred path to initiate the alkyl chain growth is via insertion of a CH_2,s group into the carbon–metal bond of a CH_3,s group. On FeCu catalyst surface, the activation barrier for termination of alkyl chain growth by β-elimination of hydrogen is found to be lower than that for α-addition of hydrogen and consequently for this catalyst, olefins are expected to form more readily than paraffins. The results of the model for a single metal surface are in agreement with the experimental data.     

Characterization and catalytic performance of CeO2-Co/SiO2 catalyst for Fischer-Tropsch synthesis using nitrogen-diluted synthesis gas over a laboratory scale fixed-bed reactor

The surface species of CO hydrogenation on CeO2-Co/SiO2 catalyst were investigated using the techniques of temperature programmed reaction and transient response method. The results indicated that the formation of H2O and CO2 was the competitive reaction for the surface oxygen species, CH4 was produced via the hydrogenation of carbon species step by step, and C2 products were formed by the polymerization of surface-active carbon species （-CH2-）. Hydrogen assisted the dissociation of CO. The hydrogenation of surface carbon species was the rate-limiting step in the hydrogenation of CO over CeO2-Co/SiO2 catalyst. The investigation of total pressure, gas hourly space velocity （GHSV）, and product distribution using nitrogen-rich synthesis gas as feedstock over a laboratory scale fixed-bed reactor indicated that total pressure and GHSV had a significant effect on the catalytic performance of CeO2-Co/SiO2 catalyst. The removal of heat and control of the reaction temperature were extremely critical steps, which required lower GHSV and appropriate CO conversion to avoid the deactivation of the catalyst. The feedstock of nitrogen-rich synthesis gas was favorable to increase the conversion of CO, but there was a shift of product distribution toward the light hydrocarbon. The nitrogen-rich synthesis gas was feasible for F-T synthesis for the utilization of remote natural gas.     

碳化钼催化材料的制备、表征及CO加氢反应性能的研究

以MoO3为前驱体，CH4/4H2为碳化介质，通过程序升温反应法(TPRe)制备了不同晶型碳化钼 (β-Mo2C和α-MoC1-x) 催化材料，并通过XRD、BET、TEM、SEM和XPS等表征手段对碳化钼材料的晶体结构、比表面积、形貌及电子特征进行了研究；同时考察了不同晶型碳化钼的CO加氢反应性能。结果表明，其具有很高CO加氢活性，产物主要为烷烃，同时有少量低碳醇生成。因此,碳化钼有望成为新型F T合成或低碳醇合成的催化剂。     

改善Rh基催化剂上CO加氢生成C2含氧化物性能的本质及途径

 从CO加氢反应的热力学出发,分析了C2含氧化合物生成反应的途径和机理,阐述了改善Rh基催化剂上生成C2含氧化合物性能的本质以及实现的途径. 结果显示,相对于CO加氢生成烃类的反应,乙醇、乙醛和乙酸等C2含氧化合物的生成在热力学上是极为不利的; 最重要、最有效的提高C2含氧化合物生成活性的手段是开发具有高选择性的催化剂. 通过对浸渍方法和还原条件的选择,适当地抑制了Rh-Mn-Li-Fe/SiO2催化剂加氢活性,最终改善了催化剂的加氢性能,使得甲烷选择性降至6.3%, 而生成C2含氧化合物的选择性达到91.6%, 且保持有较高的时空收率.     

Rh基催化剂上CO加氢制C2含氧化合物的红外光谱研究

 用红外光谱法考察了Rh-Mn-Li-Ti/SiO2催化剂在CO加氢反应过程中表面吸附物种随压力、温度和H2/CO比的改变而变化的规律. 结果表明,高压有利于提高催化剂表面吸附的CO浓度和活性,高温有利于CO解离; 而高温、高压条件不但促进了CO吸附,而且提高并平衡了CO的解离和插入之间的相对活性,促进了C2含氧化合物的生成. H2/CO比的增大有利于CO在催化剂表面的吸附,从而促进了CO插入,尤其是CO的解离和加氢活性,但是过高的H2/CO比将导致过高的CO解离和加氢活性,引起CO插入活性的削弱而最终导致C2含氧化合物生成活性的下降. 同时,考察了助剂(Mn, Li和Ti)对Rh基催化剂表面吸附物种的影响. 结果表明,助剂的加入可提高C2含氧化合物的生成活性.     

Infrared spectroscopic study on the reaction mechanism of CO hydrogenation over Pd/CeO2

In situ infrared spectroscopy was applied to elucidate the reaction mechanism of CO hydrogenation over Pd/CeO₂. Instead of direct dissociation of CO, a new reaction pathway is proposed for methane formation, involving geminal dicarbonyl intermediates and (HCO)₂(a) intermediates, which may be located on the surface of Pd covered with thin layers of reduced ceria (SMSI effect). Transformation of methane formation sites into methanol formation ones by the oxidation with water vapor formed during the CO?H₂ reaction is proposed, which may be located on the Pd (111) planes adjacent to ceria support.     

Infrared spectroscopic study on the reaction mechanism of CO hydrogenation over Pd/CeO2

In situ infrared spectroscopy was applied to elucidate the reaction mechanism of CO hydrogenation over Pd/CeO₂. Instead of direct dissociation of CO, a new reaction pathway is proposed for methane formation, involving geminal dicarbonyl intermediates and (HCO)₂(a) intermediates, which may be located on the surface of Pd covered with thin layers of reduced ceria (SMST effect). Transformation of methane formation sites into methanol formation ones by the oxidation with water vapor formed during the CO-H₂ reaction is proposed, which may be located on the Pd (111) planes adjacent to ceria support.     

CO氢化合成乙醇反应的过渡应答研究——Ⅱ. 改性Rh/Al2O3催化剂上的反应动力学研究

本文用过渡应答技术研究CO在改性Rh/Al_2O_3催化剂上常压氢化合成乙醇的表面反应机理。结果表明: 1. 在Rh/Al_2O_3催化剂中添加K元素能显著地增加合成乙醇反应的活性和选择性; 2. 乙醇的生成取决于表面上相邻两个含氧中间体的密度而与气相中的H_2或CO浓度无关。反应倾向于ANDERSON的缩聚机理。在此反应机理的基础上, 由应答曲线的数据, 根据MARQUARDT非线性优化技术以及RUNG-KUTTA-GILL数值积分法计算了所有基元步骤的反应速率常数。