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。

Effects of zinc on Fe-based catalysts during the synthesis of light olefins from the Fischer-Tropsch process

Fe‐based catalysts for the production of light olefins via the Fischer‐Tropsch synthesis were modi‐fied by adding a Zn promoter using both microwave‐hydrothermal and impregnation methods. The physicochemical properties of the resulting catalysts were determined by scanning electron mi‐croscopy, the Brunauer‐Emmett‐Teller method, X‐ray diffraction, H2 temperature‐programed re‐duction and X‐ray photoelectron spectroscopy. The results demonstrate that the addition of a Zn promoter improves both the light olefin selectivity over the catalyst and the catalyst stability. The catalysts prepared via the impregnation method, which contain greater quantities of surface ZnO, exhibit severe carbon deposition following activity trials. In contrast, those materials synthesized using the microwave‐hydrothermal approach show improved dispersion of Zn and Fe phases and decreased carbon deposition, and so exhibit better CO conversion and stability.