用于费托合成的单分散过渡金属纳米催化剂及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种用于费托合成的单分散过渡金属纳米催化剂及其制备方法和应用，该催化剂包括过渡金属，所述过渡金属以单分散纳米金属颗粒状态稳定分散于有机溶剂中；所述过渡金属的粒径为1～100nm；所述催化剂的比表面积为5～300m

说明书

技术领域

本发明涉及费托合成催化剂，具体地指一种用于费托合成的单分散过渡金属纳米催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

通过费托合成技术可将由煤炭，天然气及生物质等含碳原料气化获得的合成气转化为以烷烃和烯烃为主要组成的目标产物，这些产物中几乎不含有硫，氮和芳烃化合物，易加工成环境友好的清洁燃料，是充分利用可循环含碳原料替代传统石化燃料的理想途径。费托合成技术在我国原油进口量以及环境要求逐步提高的背景下具有重要的能源安全和环保意义，获得了广泛的关注和研究。

催化剂在费托合成反应中的性能表现与其化学元素组成密切相关。第VIII族过渡金属中的铁，钴，镍，钌和铑等元素对费托合成反应具有较强催化作用，可作为催化剂的主金属元素。工业费托合成催化剂多选用铁或钴作为元素主金属，并添加其它金属元素作为助剂，以调节或改善催化剂的综合性能。

费托合成催化剂的常见制备方法已为领域内研究人员所熟知。钴基费托合成催化剂常通过浸渍法将活性金属组分负载于氧化物载体表面获得，而铁基费托合成催化剂则利用共沉淀法或熔融法获得。不同制备方法所得催化剂在性能方面存在显著差异，这些差异往往因催化剂微观结构不同而导致。催化剂颗粒内部的孔结构特性以及表面金属颗粒的粒径分布对于其催化性能具有重要的影响。浸渍法和共沉淀法制备的催化剂具有丰富的孔结构，因此，孔道内活性金属的催化性能将受到原料浓度及内扩散的制约影响。另外，金属颗粒活性组分嵌合在载体表面，裸露活性组分的比表面积较少，制约了催化剂性能的 充分发挥。同时，越来越多的研究结果表明，当金属颗粒粒径尺寸处于特定的范围时，催化剂进行费托合成反应时将具有最佳的活性和产物选择性。然而，受传统制备方法限制，催化剂表面的金属颗粒尺寸大小难以进行有效调控。

基于上述原因，为改善催化剂的催化性能，研究人员开始考虑合成无负载型纳米颗粒催化剂，但这类催化剂普遍存在适用温度低，有效产物的时空收率低，及活性金属成分尺寸过大的缺点，如：申请号为CN 200710099011的中国专利申请公开了一种进行费托合成反应的方法及其专用催化剂，其将过渡金属盐(Ru、Co、Ni、Fe和Rh中的至少一种)与高分子稳定剂(聚乙烯基吡咯烷酮或[BVIMPVP]Cl)混合分散于液体介质中，在100～200℃下用H₂还原，得到1～10nm的过渡金属纳米催化剂，在100～200℃下即可进行费托合成反应。该方法制备的纳米粒子浓度较低，过渡金属盐在液体介质中的最高浓度仅为0.014mol/L；而且，需要采用高分子化合物作稳定剂，仅可适用于反应温度低于200℃的费托合成反应；另外，有效产物的时空收率较低，这些缺点限制了其工业应用前景。再如：申请号为CN200810055122的中国专利申请公开了一种适合于浆态床反应器的催化剂及制备方法和应用，其将过渡金属硝酸盐(铁、钴或镍)溶于C₆-C₈的直链醇溶液后加热回流，以获得粒径尺寸在5～200nm的过渡金属纳米氧化物颗粒，在浆态床反应器内经活化还原后进行费托合成反应。然而，由于硝酸盐中结晶水的存在，一方面增加了金属晶粒表面的氢键，加剧了一次晶粒间的团聚作用(T.He,D.Chen,X.Jiao,Controlled Synthesis of Co₃O₄Nanoparticles through Oriented Aggregation,Chem.Mater.,16(2004)737-743)，另一方面导致硝酸钴的分解温度升高，使金属晶核的快速形成和长大，两种因素相互作用导致最终获得尺寸较大的二次团聚晶粒(李泽壮，陈建刚，王月伦，孙予罕，单分散Co/SiO₂催化剂的制备及其F-T合成性能[J]，《工业 催化》2009(9)，第17卷，43-47)。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种用于费托合成的单分散过渡金属纳米催化剂及其制备方法和应用，该催化剂的活性金属颗粒尺寸可控，催化活性高。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于费托合成的单分散过渡金属纳米催化剂，包括过渡金属，所述过渡金属以单分散纳米金属颗粒状态稳定分散于有机溶剂中；所述过渡金属的粒径为1～100nm；所述催化剂的比表面积为5～300m²/g。

进一步地，所述过渡金属为Mn，Fe，Co或Ru中的一种或几种。

进一步地，所述有机溶剂为苄醚，芳醇，吡咯烷酮或液体石蜡。

进一步地，所述过渡金属的颗粒粒径为5～20nm。

一种上述用于费托合成的单分散过渡金属纳米催化剂的制备方法，包括以下步骤：

1)将所述过渡金属的有机盐溶解于含有多元醇的有机溶剂中，制得混合液；

2)在空气或惰性气体氛围中对所述混合液进行加热并搅拌，将所述混合液温度升至150～250℃后进行保温，保温时间为30～240min，即可制得所述用于费托合成的单分散过渡金属纳米催化剂。

进一步地，所述步骤1)中，所述过渡金属为Mn，Fe，Co或Ru中的一种或几种，所述有机盐为草酸盐，乙酰丙酮盐或羰基金属盐。

进一步地，所述步骤1)中，所述多元醇为C₃-C₁₈的二元醇或三元醇；所述有机溶剂为苄醚，芳醇，吡咯烷酮或液体石蜡。

进一步地，所述步骤1)中，所述多元醇与所述过渡金属的有机盐的摩尔比为1～5∶1；所述有机溶剂与所述过渡金属的有机盐的摩尔比为30～500∶1。多元醇与过渡金属的有机盐的摩尔比为1～5∶1，以使有机金属盐分解后的金属化合物还原至零价金属态，同时维 持纳米金属颗粒的稳定性；有机溶剂主要作为反应分散溶剂。

进一步地，所述步骤2)中，所述混合液升温速率为1～10℃/min；所述保温时间为60～120min。

一种上述用于费托合成的单分散过渡金属纳米催化剂的应用，无需过滤分离，清洗，高温焙烧及活化还原，直接将所述催化剂用于费托合成反应，反应温度为180～300℃，反应压力为1～3MPa，H₂与CO进料体积比为1～2.5，反应器总空速为0.5～15L/h/g催化剂。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

其一，本发明方法制备的催化剂为无负载型纳米金属颗粒催化剂，纳米金属颗粒在反应过程中可以自由移动，无需嵌合在载体表面，从而增大了活性组分的比表面积，提升了催化剂的催化性能；而且本发明方法制得的纳米金属颗粒浓度高。

其二，本发明方法能够实现活性组分颗粒粒径大小的调节控制，使得纳米金属颗粒尺寸大小可控。

其三，本发明方法简单便捷，环境友好，操作工艺简单，不但能够对纳米金属颗粒尺寸实现有效的调节控制，同时，本催化剂的金属活性成分以单分散纳米金属颗粒形式稳定分散于有机溶剂中，分散溶剂可以回收并重复利用。

其四，本发明的催化剂，其纳米金属颗粒分散度高，用于浆态床反应系统时，无需经过繁琐的滤分离，清洗，高温焙烧及活化还原就能够直接应用于费托合成反应，并具有极其优异的催化活性和产物选择性。

附图说明

图1为实施例1中制得的催化剂的透射电镜图片。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

实施例1：

先将6g乙酰丙酮铁(III)溶于550ml的2-吡咯烷酮溶液(密度为1.116g/ml)中，然后往溶液中添加3.5g的1,2-十二烷二醇，得混合溶液；接着，在机械搅拌条件下，空气气氛中，以1℃/min的升温速率将混合溶液的温度升至160℃；在160℃温度下保温120min后，自然冷却至室温，即获得灰黑色纳米铁胶体溶液，添加250ml液体石蜡封存待用。

将制得的纳米铁胶体溶液与液体石蜡一起转移至浆态床反应器内，直接进行费托合成反应，其中，反应温度为260℃，氢气与一氧化碳进料比范围1.2，进气空速为13.7L/h/g催化剂(进气流速为13L/h)，反应压力为2MPa。在上述条件下，该催化剂的性能评价结果见下表1；该催化剂的微观结构见图1。

实施例2：

先将2.6g草酸钴(II)和0.01g亚硝酰基硝酸合钌(III)溶于250ml的二苄醚溶液(密度为1.04g/ml)中，然后往溶液中添加10g的1,2-十六烷二醇，得混合溶液；接着，在机械搅拌条件下，氩气气氛中，以10℃/min的升温速率将混合溶液的温度升至250℃；在250℃温度下保温80min后，自然冷却至室温，即获得深紫色纳米钴胶体溶液，添加250ml液体石蜡封存待用。

将制得的纳米钴胶体溶液与液体石蜡一起转移至浆态床反应器内，直接进行费托合成反应，其中，反应温度为180℃，氢气与一氧化碳进料比范围2.4，进气空速为4.8L/h/g催化剂(进气流速为5L/h)，反应压力为3MPa。在上述条件下，该催化剂的性能评价结果见下表1。

实施例3：

先将4g乙酰丙酮铁(III)和2g乙酰丙酮钴(II)溶于450ml的苯甲醇溶液(密度为1.04g/ml)中，然后往溶液中添加9g的1,2,4-丁三醇，得混合溶液；接着，在机械搅拌的条件下，空气气氛中，以5℃/min的升温速率将混合溶液的温度升至200℃；在200℃温度下保温60min后，自然冷却至室温，即获得深灰色铁钴合金纳米胶体溶液，添加250ml液体石蜡封存待用。

将制得的铁钴合金纳米胶体溶液与液体石蜡一起转移至浆态床反应器内，直接进行费托合成反应，其中，反应温度为200℃，氢气与一氧化碳进料比范围2，进气空速为7.3L/h/g催化剂(进气流速为8L/h)，反应压力为1MPa。在上述条件下，该催化剂的性能评价结果见下表1。

实施例4：

先将3.1g五羰基铁和2.6g十羰基二锰溶于250ml的液体石蜡(密度为:0.87g/ml)中，然后往溶液中添加5g的1,2,8-辛三醇，得混合溶液；接着，在机械搅拌的条件下，氮气气氛中，以8℃/min的升温速率将混合溶液的温度升至235℃；在235℃温度下保温100min后，自然冷却至室温，即获得灰黑色纳米铁锰胶体溶液，封存待用。

将制得的纳米铁锰胶体溶液转移至浆态床反应器内，直接进行费托合成反应，其中，反应温度为240℃，氢气与一氧化碳进料比范围1.8，进气空速为0.8L/h/g催化剂(进气流速为1L/h)，反应压力为2MPa。在上述条件下，该催化剂的性能评价结果见下表1。

表1

由表1中催化剂的物化性质和催化性质参数可以看出：采用本发明方法能够便捷地制备不同粒径的高活性金属纳米颗粒催化剂。通常，催化剂的粒径越小，其活性比表面积越大，催化活性越高，但催化剂稳定性将会降低。将金属纳米催化剂粒径范围控制在5-20nm具有较好的综合性能优势。这些催化剂与同类型的工业催化剂相比较， 具有更好的催化活性，更低的甲烷选择性，同时C₂-C₄轻质烃选择性相对较高，显示出该方法获得的催化剂具有很好的应用前景。