合成气直接制低碳烯烃负载型Fe基催化剂上Mn、Na和S等助剂作用机理研究

摘要

本论文以探究合成气直接制C2-C4烯烃负载型Fe基催化剂上Mn、Na和S等助剂的作用机理为主要目的，在论文的第一部分工作中以粒径和组成可控的Fe3-xMnxO4/CNT(x=0～0.5，CNT=Carbon Nanotube)模型催化剂为基础，考察了Fe的粒径对催化剂CO加氢制C2-C4烯烃性能的影响并在排除了粒径以及活性相或助剂与载体之间强相互作用等因素影响的条件下，考察了Mn助剂的含量对催化剂活性和产物选择性的影响，在此基础上结合TEM、（原位）XRD、XPS和程序升温还原等表征技术对催化剂的结构和Mn助剂的作用机理进行了详细表征。在论文的第二部分工作中详细考察了Na和S分别修饰以及Na和S的共同修饰对Fe/α-Al2O3上CO加氢直接制低碳烯烃性能的影响，并结合TEM、（原位）XRD、Raman、程序升温还原和程序升温脱附等表征技术探讨了Na和S助剂的作用本质。取得的主要研究结果如下:
　　(1)采用在含有油酸和油胺的溶液中高温还原/分解Fe(acac)3的方法，制备了不同粒径、单分散的Fe3O4纳米粒子。XRD和TEM的结果表明通过调节反应温度以及表面活性剂的用量，以小粒径Fe3O4为“种子”等，可以有效合成粒径可控(4～13nm)的单分散Fe3O4纳米粒子。Fe3O4粒径均为6nm的Fe/TiO2、Fe/γ-Al2O3、Fe/ZrO2和Fe/CNT等模型催化剂的CO加氢性能评价结果表明，与其他载体相比，CNT负载的Fe催化剂具有最高的CO转化率、C2-C4烃的烯烷比和C5+选择性以及最低的CH4选择性。不同粒径(4～13nm)的Fe/CNT模型催化剂的性能评价结果表明，当Fe3O4的粒径从4.2增加到7.9nm时，Fe/CNT催化剂的活性逐渐增大，随Fe3O4的粒径进一步增加，催化剂的CO加氢活性略有下降;在粒径较小的Fe/CNT催化剂上，C2-C4烯烷比和C5+的选择性相对较低。因此，合适的载体和活性相粒径有助于制备高活性和高选择性的催化剂。
　　(2)仅用油胺作表面活性剂和还原剂，采用在二苄醚溶剂中高温还原/分解Fe(acac)3或Fe(acac)3和Mn(acac)2混合物的方法成功制备了平均粒径为6.3～6.7nm的单分散Fe3-xMnxO4(x=0～0.5)纳米粒子。将纳米粒子组装到CNT载体上制得Fe3-xMnxO4/CNT模型催化剂。该合成方法可以有效控制Fe3-xMnxO4纳米粒子的粒径和调变Mn/Fe比。Fe3-xMnxO4/CNT模型催化剂中的Mn元素在673K通H2气还原的前后始终保持与Fe元素紧密接触，CNT载体上并未出现孤立的Mn氧化物粒子。Fe3O4/CNT在H2气氛中的还原过程为Fe3O4→FeO→Fe。Mn氧化物促进Fe3O4到FeO的还原，但抑制了FeO还原到金属Fe以及在费托合成反应下碳化铁的生成。在673 K通H2气还原后，Mn氧化物在Fe-Mn纳米粒子表面发生富集。催化剂性能评价结果表明，少量Mn氧化物(Mn/Fe≤0.01)的添加对Fe3-xMnxO4/CNT催化剂的CO加氢活性没有影响，但可以显著提高C5+和C2-C4烯烃的选择性，并可在不影响C2-C4烃的选择性的情况下降低CH4的选择性。过量的Mn氧化物(Mn/Fe≥0.024)会降低催化剂的活性，其原因可能与Mn氧化物覆盖了部分Fe物种表面活性位或Mn氧化物抑制了碳化铁的生成有关。
　　(3)浸渍法制备的不同含量Na和/或S修饰的Fe/α-Al2O3催化剂的性能评价结果表明，添加适量的Na有助于提高催化剂的CO转化率，但过量Na反而会降低CO转化率。Na的修饰还可抑制CH4和C2-C4烃的生成，提高C5+的选择性和产物的烯烷比。S的修饰降低了Fe/α-Al2O3催化剂的CO转化率、C5+选择性和产物的烯烷比，提高了C2-C4烃的选择性。Na和S的共同修饰能够使催化剂在保持较高的CO转化率下获得较高的C2-C4烯烃选择性。Na的修饰提高了催化剂的碱性，抑制FeO在H2气氛中的还原。适量Na的修饰还有助于增强CO在金属Fe表面的解离吸附，促进反应中FexCy的生成，从而提高了CO加氢的活性。而过量Na的修饰可导致催化剂上生成过多的积碳和高碳烃产物，堵塞部分活性位，进而降低了催化剂的CO加氢的活性。由于Na抑制了催化剂对H2的吸附和活化，进而抑制了催化剂加氢能力，因而能够降低CH4选择性并提高C2-C4烃中烯烃的选择性和C5+选择性。S有助于促进FeO在H2气氛中的还原，但抑制了Fe3O4在CO气氛中的还原以及CO在金属Fe表面的解离吸附，阻碍了反应中FexCy的生成，从而降低了CO加氢的活性。催化剂的H2-TPD实验结果表明，少量S的修饰可提高脱附峰位于500K左右H2的吸附，这可能是S有助于提高C2-C4烃选择性、降低C5+的选择性和产物烯烷比的原因之一。过量S的修饰会抑制H2的吸附，进一步降低催化剂的活性。Na的修饰能够提高催化剂的抗S中毒性能，而S的存在可降低Na修饰催化剂的积碳。Na和S对催化剂解离吸附CO和H2的相对影响可能是它们之间的协同作用能够使催化剂在维持较高CO加氢活性的同时获得较高的C2-C4烯烃选择性的原因之一。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 合成气制低碳烯烃的工艺

1．1．1 间接法

1．1．2 直接法

1．2 费托合成直接制低碳烯烃(FTO)

1．2．1 费托合成的反应机理

1．2．2 费托合成产物的选择性

1．2．3 费托合成反应条件对产物选择性的影响

1．2．4 影响活性和产物选择性的催化剂因素

1．2．5 Fe基催化剂的活性相

1．2．6 催化剂的失活

1．3 合成气直接制低碳烯烃的催化剂体系

1．3．1 体相或非负载型Fe基催化剂

1．3．2 负载型Fe基催化剂

1．3．3 复合催化剂

1．4 论文的构思和主要内容

参考文献

第2章 实验部分

2．1 主要的实验试剂及规格

2．2 催化剂制备

2．3 催化剂表征

2．3．1 比表面积(BET)表征

2．3．2 X射线荧光光谱(XRF)表征

2．3．3 热重(TG)实验

2．3．4 透射电子显徽镜(TEM)和EDS成像表征

2．3．5 显微Raman光谱

2．3．6 X射线粉末衍射(XRD)表征

2．3．7 X射线光电子能谱(XPS)表征

2．3．8 H2程序升温还原(H2-TPR)

2．3．9 CO程序升温还原(CO-TPR)

2．3．10 H2程序升温脱附(H2-TPD)

2．3．11 CO程序升温脱附(CO-TPD)

2．3．12 CO2程序升温脱附(CO2-TPD)

2．3．13 费托合成后催化剂的程序升温脱附

2．4 催化剂性能评价

2．4．1 催化反应评价装置

2．4．2 催化反应活性和产物选择性的计算方法

参考文献

第3章 粒径可控Fe3O4纳米粒子和Fe／CNT催化剂的制备和费托合成反应的粒径效应考察

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 催化剂制备

3．2．2 催化剂性能评价

3．3 结果与讨论

3．3．1 XRD表征结果

3．3．2 TEM表征结果

3．3．3 Fe／CNT-x催化剂的CO加氢制低碳烯烃性能评价

3．4 本章小结

参考文献

第4章 合成气制低碳烯烃单分散Fe-Mn／CNT模型催化剂的制备以及Mn的作用机理研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 催化剂制备

4．2．2 催化剂性能评价

4．3 结果与讨论

4．3．1 TEM表征结果

4．3．2 XRD表征结果

4．3．3 EDS和XRF表征结果

4．3．4 STEM-mapping表征结果

4．3．5 XPS表征结果

4．3．6 H2-TPR表征结果

4．3．7 原位XRD表征结果

4．3．8 CO加氢制低碳烯烃的催化性能

4．4 本章小结

参考文献

第5章 Na和S对Fe／α-Al2O3催化剂催化合成气制低碳烯烃性言能的影响

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 催化剂制备

5．2．2 催化剂表征

5．2．3 催化剂性能评价

5．3 Na／S的修饰对Fe／α-Al2O3催化剂上合成气制低碳烯烃性能的影响

5．4 催化剂结构表征

5．4．1 XRD表征结果

5．4．2 Raman光谱表征结果

5．4．3 TEM表征结果

5．5 催化剂的还原性考察

5．5．1 H2-TPR表征结果

5．5．2 原位XRD表征结果

5．5．3 CO-TPR表征结果

5．6 催化剂的吸附行为

5．6．1 CO2-TPD表征结果

5．6．2 H2-TPD表征结果

5．6．3 CO-TPD表征结果

5．6．7 反应后催化剂的TPD

5．7 讨论

5．8 本章小结

参考文献

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