多相催化CO_(2)加氢直接合成大宗化学品与液体燃料

摘要

借助可再生能源获取电能分解水制得的氢气,将CO_(2)转化为大宗化学品和液体燃料,不仅能实现温室气体的减排,而且有助于解决对化石燃料的过度依赖以及可再生能源的存储等问题.目前,实现CO_(2)转化工业应用的最大障碍之一是缺乏高效稳定的催化剂.此外,将CO_(2)分子转化为更高附加值的C_(2+)(含有两个或两个以上碳原子的烃)产物比转化为简单的碳一分子产品更加困难.本文系统介绍了本课题组开发的CO_(2)加氢制甲醇、低碳烯烃、芳烃以及汽油与航空煤油馏分烃等高效多相催化剂的设计与合成思路,通过理论计算与实验研究相结合,深入探讨了这些催化剂的结构-性能关系、活性位点的性质和反应机制.期望进一步推动CO_(2)加氢制大宗化学品和液体燃料的多相催化剂的基础研究和工业应用.对于CO_(2)加氢制甲醇,传统催化剂面临活性不高、逆水煤气变换反应使得选择性偏低、副产物水易导致纳米颗粒烧结失活等问题,以高铜含量碱修饰水滑石材料为前驱体,创制了纳米限域结构铜基催化剂,在5000吨/年CO_(2)制甲醇装置上完成了该催化剂的工业测试;由于氧化铟(In_(2)O_(3))催化剂具有更高的甲醇选择性,近年来备受研究者广泛关注,本课题组研究表明In_(2)O_(3)在CO_(2)加氢反应中对晶相和暴露面的结构敏感性,并创制了一种主要暴露(104)面的六方相材料,当反应温度为360℃时仍有利于甲醇合成.基于反应耦合策略,在多功能催化剂上可以将CO_(2)加氢制甲醇与甲醇制烃类反应耦合,或者将RWGS与费托合成以及烯烃异构/环化/芳构反应耦合,由此可实现CO_(2)加氢直接合成各种C_(2+)产品.多功能催化剂开发过程中也面临着与CO_(2)加氢制甲醇反应类似的问题,但反应网络更加复杂.本文阐明了不同功能组分的结构与物化性质以及不同组分的耦合方式对催化剂上CO_(2)加氢反应性能的影响规律与影响机制,并揭示了不同耦合反应的中间物种的演化与反应机制.另外,对该领域未来重要的研究方向与各类催化剂的工业应用前景也进行了讨论,以期为更高效催化剂的开发提供新的思路和策略,并加深对CO_(2)加氢反应网络的理解.