多相催化剂催化二氧化碳加氢合成甲醇的研究进展

近年来,随着空气中二氧化碳含量的不断升高,二氧化碳的催化转化在科研界和工业界受到了广泛关注.非均相催化的二氧化碳加氢合成甲醇是实现二氧化碳资源化利用的重要手段之一,具有良好的应用前景.本文系统概述了非均相催化二氧化碳加氢合成甲醇反应的近期研究进展,重点介绍了金属催化剂和金属氧化物催化剂,对反应机理进行了阐述,并对该领域仍待解决的问题和发展前景进行了展望.     

CO2加氢直接制取二甲醚的研究

ＣＯ２加氢直接制取二甲醚的研究葛庆杰黄友梅１）邱凤炎李树本（中国科学院兰州化学物理研究所兰州７３００００）关键词二氧化碳催化加氢二甲醚铜催化剂分类号Ｏ６４３．３２二氧化碳在地球上含量极丰富，且随着工业的发展而日益增长．同时二氧化碳含量的日益增多，会加...     

二氧化碳加氢制甲醇多相催化剂研究进展

化石燃料的利用为人类社会带来了前所未有的繁荣和发展. 然而, 化石燃料燃烧引起的过量的二氧化碳(CO₂)排放导致全球气候变化和海洋酸化; 而且作为一种有限的资源, 化石燃料的消耗将迫使人们寻找其它碳源以维持可持续的发展. 利用可再生能源获取电能分解水制得的绿色氢气(H₂)与捕集后的CO₂反应制成甲醇, 不仅能有效利用工业废气中多余的CO₂, 还能获取清洁、 可再生的甲醇化学品, 该过程的技术核心是开发高效稳定的CO₂加氢制甲醇催化剂. 本文综合评述了现有研究关注较多的多相催化CO₂加氢制甲醇催化剂的反应机理和构效关系, 总结了目前多相催化CO₂加氢制甲醇催化剂(Cu基催化剂、 贵金属与双金属催化剂、 氧化物催化剂以及其它新型催化剂)的设计与合成方面的研究进展, 最后对该领域所面临的机遇和挑战进行了展望.     

Pd-Cu/ZrO2催化CO2加氢制甲醇的性能

采用溶胶-凝胶法制备了n(Cu):n(Zr)=1:1、1:2、1:4和1:8的Cu/ZrO₂催化剂。 实验结果表明,当n(Cu):n(Zr)=1:4时,催化剂表现出较高的CO₂转化率(8.0%)和甲醇选择性(59.5%),为了增加CO₂的转化率,提高甲醇选择性,在n(Cu):n(Zr)=1:4的催化剂中添加质量分数1%的Pd,采用浸渍法制备了Pd-Cu/ZrO₂催化剂。 在250 ℃、2 MPa、12000 mL/(g·h)和V(H₂):V(CO₂)=3:1的反应条件下,CO₂转化率和CH₃OH收率相比Cu/ZrO₂催化剂(n(Cu):n(Zr)=1:4)分别提高了40.0%和80.9%。 通过X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、N₂吸附-脱附(BET)、X射线光电子能谱仪(XPS)和程序升温还原化学吸附仪(H₂-TPR)等仪器表征证明Pd的添加提高了催化剂的分散性和比表面积。 催化剂中Pd和Cu之间强相互作用,使Cu2p轨道结合能向低处偏移,还原温度的降低,说明Pd-Cu/ZrO₂催化剂还原能力增强,使得CO₂加氢活性提高。     

沉淀方法及铈掺杂对铜锰氧化物催化剂催化氧化CO性能的影响

The influence of Ce doping and the precipitation method on structural properties and the catalytic activity of copper manganese oxides for CO oxidation at ambient temperature have been investigated. The catalysts were characterized by means of the powder X-ray diffraction and N₂ adsorption-desorption, the inductively coupled plasma atomic emission spectrometry, the temperature programmed reduction, diffuse reflectance UV-Vis spectra, and the X-ray photoelectron spectroscopy. It was found that after doping little amount of Ce in copper manganese oxide, CeO₂ phase was highly dispersed and could prevent sintering and aggregating of the catalyst, the size of the catalytic material was decreased, the reducibility was enhanced, the specific surface area was increased and the formation of the active sites for the oxidation of CO was improved significantly. Therefore, the activity of the rare earth promoted catalyst was enhanced remarkably.     

Cu-Zn-Zr/SBA-15介孔催化剂的制备及CO2加氢合成甲醇的催化性能

以具有骨架结构的SBA-15介孔分子筛为载体,采用浸渍法合成了具有高比表面积、不同金属氧化物含量的Cu-Zn-Zr介孔催化剂CZZx/SBA-15(x=0.3,0.4,0.5,0.6).采用N2吸附-脱附(BET)、X射线衍射(XRD)、H2程序升温还原(H2-TPR)、CO2吸附(CO2-TPD)和透射电子显微镜(TEM)等手段对样品进行了表征.在固定床反应器上评价了其CO2加氢合成甲醇的催化性能.实验结果表明,CZZx/SBA-15催化剂具有介孔结构,负载的Cu O,Zn O和Zr O2能够很好地分散在表面,并且负载氧化物晶粒尺寸不同.催化剂的铜比表面积SCu与甲醇催化活性呈近似线性关系,其中CZZ0.4/SBA-15催化剂表现出最大甲醇选择性(54.32%),与CZZ相比,甲醇选择性增加24.85%.随着金属氧化物负载量的增大,催化剂比表面积和SCu明显减小,甲醇选择性与收率也相应减小,负载型CZZx/SBA-15催化剂表面结构对CO2加氢合成甲醇反应活性起关键作用.     

Pd对Zr－Mn－K催化CO加氢合成甲醇与异丁醇的影响

 考察了添加Pd对Zr－Mn－K催化CO加氢合成甲醇与异丁醇的影响．与Zr－Mn－K催化剂相比，Pd／Zr－Mn－K催化剂的催化活性及异丁醇选择性明显升高．在SV＝10000h－1，p＝8．0MPa和T＝673K的反应条件下，1．5％Pd／Zr－Mn－K催化剂上醇的时空收率由原来的122．8升高到232．6g／（kg·h），异丁醇的选择性由原来的15．5％升高到21．7％．当Pd的添加量大于1．5％时，催化剂的活性及异丁醇选择性开始下降．H2和CO吸附实验结果表明，Pd／Zr－Mn－K催化剂表面维持有较高的H2和CO吸附量，有利于甲醇与异丁醇生成速率的提高．当Pd的添加量超过1．5％时，Pd的分散度降低，粒径变大，吸附H2和CO的量减少，致使合成甲醇和异丁醇的性能降低．     

液相还原法制备Cu/Zn/Al/Zr催化剂用于CO2加氢合成甲醇

近年来,由于大气CO2浓度增加引起的温室效应正日益威胁着人类的生存与发展,CO2的捕获与利用是有望解决温室效应和能源危机的有效途径.CO2催化转化为甲醇成为众多研究者关注的焦点,这是因为甲醇不仅是一种重要的基本化工原料,也是一种洁净的绿色燃料和能源载体.Cu基催化剂广泛应用于CO2加氢合成甲醇反应,并表现出良好的催化性能.通常,金属催化剂的制备是采用H2对金属氧化物进行还原.然而,传统的气相还原过程伴随着强烈的热效应,且需要在高温(473-573 K)下进行,会引起表面铜颗粒长大并加速其聚集烧结,使得活性组分利用率下降.近年来,以NaBH4为还原剂的液相还原法逐渐受到人们的重视,该方法操作简单、快捷且条件可控,反应在低温下进行,放出的热量可在液相环境中迅速得到转移,大大抑制了铜颗粒的聚集.因此,液相还原法可制备出高铜分散度、高活性的催化剂.焙烧温度对铜基催化剂结构和催化性能的影响已得到广泛探究,但这仅限于含二价铜物种催化剂,焙烧温度对含多种铜价态催化剂的影响未见报道.由于液相还原法制备的催化剂含有还原态的铜物种(Cu0和Cu+),它们比Cu2+具有更强的流动性,因此在后续的焙烧过程中催化剂更容易发生烧结和聚集.本文采用液相还原法合成了Cu/Zn/Al/Zr催化剂,分别于423,573,723和873 K焙烧后用于CO2加氢合成甲醇反应,考察了焙烧温度对制备的铜基催化剂结构性质和催化性能的影响,并与传统共沉淀法制备的催化剂进行了对比.结果显示,随着焙烧温度升高,铜物种聚集作用增强,金属铜颗粒尺寸增大,873 K时烧结出现显著增强.由于比表面积随焙烧温度升高而减小,高温度焙烧的催化剂具有小的表面碱性位数目.焙烧温度会影响催化剂中铜物种与其它组分的相互作用,进而影响催化剂的还原.随着焙烧温度的升高,催化剂的还原温度逐渐降低,表面Cu+/Cu0的比例先增后减.CO2加氢活性评价显示,液相还原法制备的催化剂具有更高的催化活性,尤其是甲醇选择性;随着焙烧温度升高,催化剂的CO2转化率和甲醇选择性先增后减,CZAZ-573催化剂具有最高活性,且在1000 h长周期活性测试中表现稳定.CO2转化率与催化剂暴露金属铜的比表面积密切相关.相比Cu0,产物甲醇更容易在Cu+表面催化生成,催化剂表面的Cu+/Cu0比与甲醇选择性的变化规律一致.通过调控焙烧温度可得到高Cu比表面积以及高Cu+/Cu0比的催化剂,有利于CO2加氢生成甲醇.     

制备条件对Au/TiO2催化CO氧化性能的影响

采用沉积沉淀法和化学沉积法，分别制备了Au/TiO2催化剂，比较详尽地探讨了制备方法及制备条件对其催化CO氧化性能的影响，并对催化剂进行XRD表征，优化了制备条件，结果显示，控制沉积－沉淀反应液的pH值范围为6．5－7．0，浓度为40mL水／g载体，温度70℃，还原温度85℃,时间60min，以沉积－沉淀法制备的3％Au/TiO2催化剂可于－35℃将CO完全转化，经还原预处理比经焙烧得到的催化剂的活性更高，用光化学沉积法制备的Au/TiO2催化剂的活性欠佳。     

CO_2加氢活性与担载铁催化剂表面Fe-O键强度的关系

采用浸渍 -还原法 ,制备了 Al2 O3、 Ti O2 、 Zr O2 担载铁催化剂 ,并在温度 6 2 3K、压力 1.5 MPa、空速80 0～ 10 0 0 h- 1、原料气组成 CO2 /H2 为 1∶ 2等实验条件下 ,考察了不同还原温度的催化剂在 CO2 加氢制低碳(C2 ～ C5 )烃中的反应活性 .结果表明 ,以 CO2 转化率计 ,各催化剂均存在最佳还原温度 (Fe/Al2 O3:873K;Fe/Ti O2 :773K;Fe/Zr O2 :72 3K) .将此温度与催化剂表面 Fe- O键强度相关联 ,发现在相同条件下 ,与载体 M-O键长有关的 Fe- O键越强 ,催化剂越容易被还原 ,最佳还原温度越低 ,反应活性越好 .     

ZrO2—SiO2负载Cu—Ni催化剂的CO2加氢反应性能

采用表面反应改性法,制备了ZrO2-SiO2（ZrSiO)表面复合物载体,用等体积浸渍法制备了ZrSiO担载的Cu-Ni双金属催化剂,借助BET、TPR、IR和微反等技术,研究了ZrSiO及其负载的Ni、Cu双金属催化剂的表面构造,化学吸附及催化CO2加氢的反应性能,结果表明,ZrSiO表面主要是价联型结构,ZrO2引入SiO2表面,可以有效地促进CuO和NiO的还原,在ZrSiO负载的Cu-Ni催化剂表面的Cu或Ni位,CO2发生化学 吸附形成线、剪式、卧式吸附态,在该催化剂上CO2的加氢反应产物主要是CH3OH3、CH4、CO和H2O生成CH3OH的选择性与催化剂组成及反应条件密切相关,在适当的条件,CH3OH的选择性大于90％。     

铬助剂对Cu/ZrO_2/CNTs-NH_2催化剂催化CO_2加氢合成甲醇性能的影响

采用并流共沉淀方法制备了一系列不同铬含量的Cu/ZrO2/CNTs-NH2催化剂,在固定床反应器上考察铬对催化剂催化CO2加氢合成甲醇反应性能的影响.当铬含量为1%(w),反应温度为260°C,压力为3.0MPa,原料气组成为V(H2):V(CO2):V(N2)=69:23:8,空速为3600 mL·h-1·g-1时,催化剂的促进效果最显著,甲醇收率达7.78%.氮吸附、粉末X射线衍射(XRD)、氢气程序升温脱附(H2-TPR)、X射线光电子能谱(XPS)、二氧化碳程序升温脱附(CO2-TPD)、差热分析(DTA)以及扫描电子显微镜(SEM)等表征结果表明,随着铬含量的增加,铜颗粒的粒径减小,催化剂的比表面积增大.铬的加入一方面提高了铜的分散性,抑制了ZrO2的相变和活性组分的烧结;另一方面提高了CO2的吸附量并促进CO2由弱吸附向强吸附转化,从而提高甲醇的收率;但是当铬含量大于1%时,催化剂表面Cu、Zr的总含量明显下降,降低了CO2的吸附量并且形成了超强CO2吸附物种,抑制了CO2及其中间产物的转化,从而降低了甲醇收率.     

热处理条件对完全液相法制Cu-Zn-Al催化剂结构及CO加氢性能的影响

采用完全液相法制备Cu-Zn-Al浆状催化剂,利用XRD、H₂程序升温还原、N₂吸附-脱附、XPS对催化剂进行表征,并在浆态床反应器中评价其CO加氢性能,考察了前驱体的热处理条件（常压、中压和密闭高压）对催化剂结构和性能的影响.结果表明,常压热处理所制催化剂,比表面积较大,活性物种的分散度和表面铜锌比均较高,有利于反应气体的吸附和扩散,CO加氢活性较高;采用加压热处理时,Cu晶粒较大,且有尖晶石相的生成,增强了Cu、Zn、Al物种之间的相互作用,影响了Cu物种的还原能力和催化剂的表面酸性,使催化剂具有一定的生成低碳醇能力.     

CuO-ZnO-ZrO2的柠檬酸燃烧法制备及其催化CO2加氢合成甲醇的性能

采用柠檬酸燃烧法制备了CuO-ZnO-ZrO2(CZZ)催化剂,并将其用于CO2加氢合成甲醇反应.按推进剂化学原理对燃烧反应进行了分析,并采用热重-差热分析(TG-DTA)技术记录了其燃烧行为.采用X射线衍射(XRD)、氮吸附、程序升温还原(TPR)及氧化亚氮(N2O)反应吸附技术对制得的催化剂进行了表征.结果表明:柠檬酸燃烧法的燃烧过程比较温和,燃料用量对催化剂物化和催化性能的影响不大,并结合燃烧反应的特点进行了解释.此外,还对三种燃料(柠檬酸、尿素和甘氨酸)的用量与CZZ性能之间的关系进行了比较,表明柠檬酸作燃料具有更好的工艺可控性.柠檬酸燃烧法是一种简单、快速且有效的制备CZZ催化剂的方法.     

超细Cu-ZnO-ZrO2催化剂的制备及其催化CO2加氢合成甲醇的性能

 采用溶胶－凝胶法、共沉淀法和共沸蒸馏法制备了一系列不同粒度范围的超细Cu－ZnO－ZrO2催化剂,并应用BET,XRD,TEM和TPR等物理化学方法对催化剂的结构和物化性质进行了表征,同时考察了催化剂上CO2加氢合成甲醇的反应性能．结果表明,超细Cu－ZnO－ZrO2催化剂具有粒度小、颗粒分布均匀和稳定性好的特点,并发现超细Cu－ZnO－ZrO2催化剂比大颗粒的工业Cu－ZnO－Al2O3催化剂具有更高的催化活性,而且随着催化剂粒度的减小,甲醇合成活性进一步增大．研究还发现,ZrO2具有稳定反应活性中心的作用．     

助剂对超细CuO－ZnO－SiO_2催化剂性质和CO_2加氢反应性能的影响

研究了９种助剂对用于ＣＯ２加氢反应的超细ＣｕＯ－ＺｎＯ－ＳｉＯ２催化剂性能的影响，并进行了ＸＲＤ和ＴＰＲ表征．结果表明，助剂影响超细催化剂的性质和催化性能，ＴｉＯ２、ＣｅＯ２、ＭｇＯ和Ｌａ２Ｏ３是ＣＯ２加氢合成甲醇的超细ＣｕＯ－ＺｎＯ－ＳｉＯ２催化剂体系的优良助剂．在含有不同助剂的ＣｕＯ－ＺｎＯ－ＳｉＯ２催化剂体系内存在ＣｕＯ和ＺｎＯ晶相，但除ＣｅＯ２以外，其它的助剂都可能以微晶或无定型的形式存在．ＴＰＲ研究表明，添加的助剂除ＣｅＯ２以外，都使超细ＣｕＯ－ＺｎＯ－ＳｉＯ２催化剂的还原温度提高，而且助剂对ＣｕＯ－ＺｎＯ－ＳｉＯ２催化剂活性的影响，按照助剂对ＣｕＯ－ＺｎＯ－ＳｉＯ２催化剂还原温度的影响进行了探讨     

碱金属助剂对CoCu/TiO2催化剂上二氧化碳加氢合成长链烃的影响

大气中CO2浓度增加导致的温室效应以及化石燃料的匮乏正日益受到世界范围的关注. 由于CO2较强的惰性以及较高 C-C 偶联能垒, 迄今为止大部分研究都集中在CO2催化加氢制备各种 C1 化学品 (如 CH4, CH3OH, CO 等), 鲜有研究关注合成液态燃料 (C5+碳氢化合物). 目前,CO2加氢直接合成烃类主要通过CO2基费托合成反应 (CO2-FTS) 实现, 即先通过逆水煤气变换反应 (RWGS) 将CO2还原成 CO, 随后 CO 通过传统费托反应 (FTS) 加氢生成烃类化合物. 在两种工业化FTS 催化剂 (Fe 和 Co 基催化剂) 中, 钴基催化剂具有更高的反应活性和链增长能力, 以及较高的机械强度和稳定性. 然而,由于CO2的惰性, 造成催化剂表面物种的加氢程度更高, 使得甲烷更容易生成. 因而, 高反应活性、高选择性催化剂的开发是实现该过程的关键.本文采用沉积沉淀法制备了一系列双金属 CoCu/TiO2催化剂, 再通过初湿浸渍法对其进行碱金属助剂 (Li, Na, K, Rb和 Cs) 改性, 并用多种表征手段系统研究了碱金属助剂对催化剂物化性质及其催化CO2加氢制备长链烃反应的影响. 结果表明, 碱金属的加入对催化剂织构性质影响不大, 它们在催化剂表面发生富集, 且富集程度随碱金属原子序数的增加而降低. 另外, 碱金属的加入增强了CO2的吸附, 其中, Na 改性的 CoCu/TiO2催化剂的碱性最强; 同时还降低了 H2的脱附量,尤以 K, Rb 和 Cs 改性的催化剂为甚.在 250 oC, 5 MPa, 空速 3000 mL·gcat-1·h-1和 H2/CO2= 3 的反应条件下, 对不同碱金属助剂改性的催化剂进行评价. 结果表明, 不加助剂的 CoCu/TiO2催化剂上CO2转化率高达 23.1%, 但产物主要是 CH4, 此时CO2在 Co 活性中心上直接发生甲烷化反应; 碱金属助剂的引入显著抑制了 CH4的生成, 提高了长链烃的选择性, 但同时也降低了CO2转化率, 并且随着碱金属原子序数增大呈现先下降后上升的趋势, 表明合适的碱性强度可以更好地改性催化剂性能. 其中, Na 助剂改性的CoCu/TiO2催化剂的碱性最强, 且 H2的脱附量降低幅度较小, 因此, 该催化剂具有最高的 C5+烃类收率, 达到 5.4%; 同时CO2转化率为 18.4%, 烃类产物中 C5+烃类选择性为 42.1%. Na 助剂改性的 CoCu/TiO2催化剂还展现了良好的催化稳定性,反应 200 h 后,CO2转化率和 C5+选择性分别保持 18% 和 40%. 基于碱金属助剂对催化剂物化性质与反应性能的调变规律,可进一步指导CO2加氢直接合成长链碳催化剂的设计与合成.     

表面金属有机化学Ⅱ—SiO_2担载的三钌乙烯酮原子簇化合物[PPN]_2[Ru_3(CO)_9(CCO)]在CO加氢反应中的催化行为

本文分别通过三种不同的钌原子簇化合物[HRu_3(CO)_(11)]~-、Ru_6C(CO)_(17)和[Ru_3(CO)_9(CCO)~(2-)]制备了三种SiO_2担载型的钌催化剂,并研究了它们在CO加氢反应中的催化行为.结果表明,若和用[HRu_3(CO)_(11)]~-制备的催化剂相比较,用[Ru_3(CO)_9(CCO)]~(2-)制备的催化剂在CO加氢反应中显示了较高的活性.通过比较以上三种催化剂的催化行为以及所进行的红外和质谱表征,初步提出了用[Ru_3(CO)_9(CCO)]~(2-) 制备的催化剂上,CCO基团经脱羰基后可能转化成表面碳化物(Carbide),它是形成烃类产物的中间体.