铁基催化剂在CO_(x)加氢制高附加值烃反应中的应用

摘要

化石燃料的广泛使用导致大气中CO_(2)的排放量急剧增加,进而引起全球变暖和海洋酸化等一系列问题.CO加氢(费托合成)反应是利用非石油来源的原料生产液体燃料和化学品的一种重要途径.同时,利用可再生的H_(2)将CO_(2)转化为高附加值的产品有利于减少对化石燃料的依赖,减轻由于大气中CO_(2)浓度过高带来的负面影响.开发新型、高效、稳定的催化剂是费托合成和CO_(2)加氢制高附加值烃的关键因素之一.Fe基、Co基和Ru基催化剂是费托合成中常用的催化剂.而在CO_(2)加氢反应中,Co基和Ru基催化剂上主要发生甲烷化反应,几乎没有长链烃生成.Fe基催化剂在费托合成和CO_(2)加氢反应中均表现出优异的催化生成长链烃性能.同时,Fe储量丰富和价格便宜的特点也促进Fe基催化剂在两个反应中的广泛应用.一般认为,在Fe基催化剂上CO_(2)通过逆水煤气变换反应生成CO,CO通过费托合成反应继续加氢生成烃类.因此,CO_(2)加氢反应和费托合成反应有相似之处,同时也有较大的区别.本文从活性相、助剂和载体的角度综述了各组分在Fe基催化剂催化CO/CO_(2)加氢反应中的作用,总结了其中的区别与联系.催化剂在反应中会发生复杂的相变过程,形成多种铁物种;其中,碳化铁(χ-Fe_(5)C_(2),ε-Fe_(2)C,Fe_(7)C_(3)和θ-Fe_(3)C)在费托合成反应中是C-C偶联的活性相,但对于θ-Fe_(3)C现还存在一些争议.在CO_(2)加氢反应中Fe_(3)O_(4)催化逆水煤气变换反应,碳化铁催化CO加氢反应.金属助剂对CO/CO_(2)加氢反应的促进作用较为相似,在两个反应中碱金属的促进作用最为明显.费托合成反应对载体有较强的适应性,而CO_(2)加氢反应对载体敏感性较强,Al_(2)O_(3),ZrO_(2)和碳材料载体效果较好.本文还总结了近些年来基于对活性相、助剂和载体的深入理解设计制备的一些新型催化剂及其在费托合成和CO_(2)加氢反应中的应用,包括具有新颖结构的催化剂、金属-有机骨架衍生催化剂以及与沸石分子筛结合的双功能催化剂.最后,还分析了目前Fe基催化剂在费托合成和CO_(2)加氢反应应用中所面临的问题和挑战,并对未来的发展趋势进行了展望.