光驱动C1转换到高附加值化学品的研究进展

阐述了光驱动C1化学的最新研究进展, 分别对光驱动费托合成、 水煤气变换、 二氧化碳加氢、 甲烷重整和甲醇重整制氢的研究进行了综述, 提出了当前研究存在的问题及发展方向.     

氮气吹扫和费托合成的脉冲过程以提高α-烯烃的选择性

费托合成可以将煤炭或者生物质气化得到的合成气转化为α-烯烃等重要的化工产品。研究将费托合成和氮气吹扫操作组合成一脉冲过程,在稳定的操作状态下保证费托合成和氮气吹扫交替进行。在传统的费托合成条件下(反应气速为2 000 h^-1,温度为497 K, 压力为 2.0 MPa, 氢碳体积比为2.0)考察了Fe-Co催化剂在脉冲过程中费托合成的活性和选择性。结果表明,N₂吹扫温度和压力分别为517 K和0.2 MPa下的费托合成的C₃烯烷比是未脉冲的相同反应条件下的九倍左右。同时,反应过程中CH₄的选择性和CO的转化率有所下降。在此基础上,通过间歇反应在固定床反应器中进行该脉冲过程,实验结果表明,利用脉冲操作在费托反应中可以获得更高的烯烃选择性。     

Co/SBA-16:对柴油组分有高选择性的费托合成催化剂(英文)

使用浸渍法制备了一系列Co/SBA-16催化剂,并通过氮物理吸附、X射线衍射、氢程序升温还原、氢化学吸附和透射电镜技术对催化剂行了表征。研究表明,随着负载钴含量的增加,金属钴的分散度降低了,这是同Co3O4晶粒增长和比表面积降低相一致的。Co/SBA-16催化剂展示了高的一氧化碳转化率,低的C1选择性和高的C5+选择性,特别对柴油组分有高选择性。     

Cu改性的FeMg@SiO2纳米级核壳催化剂实现合成气一步法制备液化石油气(英文)

本实验系统研究了纳米级核壳催化剂由合成气经费托合成路线一步法直接制备液化石油气。通过采用共沉淀法、改性溶胶-凝胶法和浸渍法相结合的方法将Cu纳米颗粒浸渍在介孔二氧化硅壳包覆的FeMg催化剂上,所制备的Cu/FeMg@SiO₂纳米核壳催化剂的物理化学性质通过一系列的表征技术进行分析,如XRD、TEM、N₂吸附-脱附、H₂-TPR,XPS和CO₂-TPD等。Cu/FeMg@SiO₂纳米核壳催化剂在液化石油气合成反应中表现出较高的CO转化率(96.6%)和较低CO₂选择性(21.9%),其中,液化石油气的选择性到达37.9%。反应结果表明,SiO₂壳层抑制了CH₄的形成,有助于增加长链产物。同时,高的CO转化率归因于Cu/FeMg@SiO₂上活性金属Cu元素在SiO₂壳上的高分散,进一步促进了烯烃加氢和C₅₊烃类产物的裂解。本实验中所提出的催化剂制备方法...     

壳层厚度对骨架Fe@HZSM-5核壳催化剂费托合成催化性能的影响

在不同的水热合成时间下, 以铁铝合金为铁源和铝源, 四丙基氢氧化铵为分子筛的模板剂和抽提合金中的铝的碱, 一步制得了以骨架铁为核、不同厚度的HZSM-5分子筛为壳的Raney Fe@HZSM-5催化剂. 采用元素分析、氮物理吸附、X射线粉末衍射、氨脱附、扫描电子显微镜等手段, 考察了水热时间对催化剂基本物化性质的影响. 随着水热时间的延长, HZSM-5分子筛壳层不断增厚, 结晶度不断增大, 但分子筛组成基本不变, 酸量与分子筛壳层厚度正相关. 在费托合成反应中, Raney Fe@HZSM-5核壳催化剂上的CO转化率和汽油段产物选择性随分子筛壳层厚度呈火山型变化趋势, 说明反应需要适宜的酸量, 酸量过低或过高均不利于得到高的催化活性及汽油段产物选择性. 在水热合成时间为4 d制得的Raney Fe@HZSM-5核壳催化剂上, 当CO转化率为92%时, C₅~C₁₁汽油段产物选择性可达71%, 异正比为1.9. 当合成气中的n(H₂)/n(CO)比从2降为1时, 汽油段产物选择性和异正比进一步提高至73%和2.1, 显示了将该催化剂用于煤基或生物质基合成气转化为高辛烷值汽油的良好潜力.     

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。     

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。     

Fe(100)表面Cu单层膜上CO的吸附,解离以及C-C偶合反应

采用密度泛函方法研究了Fe(100)表面Cu单层膜上CO的吸附,直接解离,氢助解离以及C-C偶合反应.相比洁净的Fe(100)表面,在Fe(100)的单层Cu膜上,CO的吸附和活化都减弱了.特别是,相比Fe(100)上CO的解离能垒1.08 eV,铜单层膜上CO解离能垒高达2.4 eV.在H原子共吸附的情况下,Fe(1...     

超声浸渍对费托合成Co/Zr/SiO2催化剂性能的影响

采用超声浸渍法制备了费托合成Co/Zr/SiO2催化剂,考察了超声波功率对催化剂费托反应性能的影响,并运用N2物理吸附、X射线衍射、H2程序升温脱附、H2程序升温还原和透射电子显微镜对催化剂进行了表征,结果表明,超声波处理可以增大催化剂的比表面积,减小金属Co的粒径,并使其较为均匀地分散于载体表面,其中以高功率超声波作...     

费托反应本征动力学中合成气分压对反应速率的影响

利用高通量动力学反应器测量了本征条件下钴基费托催化剂上反应物消耗速率rCO和产物生成速率rCH4随固定床床层的分布,并考察了它们在不同入口分压(p0CO,p0H2)条件下的变化.结果表明,入口氢碳比(H/C)0=p0H2/p0CO为影响速率的敏感外部变量,反应速率随(H/C)0的增加而加快;而合成气总压p0H2+CO则...