CO/CO2加氢制低碳烯烃催化剂研究进展

低碳烯烃(乙烯、丙烯和丁烯)作为关键化学品,主要用于塑料、涂料、药品和化妆品的一系列重要的原料化学品生产,其产业发展水平和市场供需平衡情况直接影响整个石化工业的发展水平和产业规模。近年来,CO加氢和CO_2加氢直接制低碳烯烃工艺备受关注。重点介绍了上述2种工艺催化剂的研究进展,简述了一些新型铁基催化剂、钴基催化剂和金属氧化物-分子筛双功能催化剂等催化剂的制备方法、特点和催化性能,并对未来CO/CO_2加氢制低碳烯烃催化剂的研究方向进行展望。     

稀土改性SAPO-34分子筛的制备及其在CO2加氢合成低碳烯烃中的催化性能

采用水热合成法分别制备了氧化钇、氧化镧和氧化铈改性SAPO-34分子筛(M-SAPO-34,M=Y、La、Ce),用XRD、SEM、FTIR、BET、NH3-TPD和TG进行了表征,结果表明,稀土金属成功地引入到了分子筛骨架中,改性后的催化剂比表面积增大,粒径减小,孔径和酸性强度均有所改变。将CuO-ZnO-ZrO_2与稀土改性的SAPO-34分子筛按质量比1∶1机械混合制备了复合催化剂CuO-ZnO-ZrO_2/M-SAPO-34,用于催化二氧化碳加氢合成低碳烯烃,在反应温度为400℃、压强为3.0 MPa、碳氢摩尔比为1∶3、空速(SV)为1 800 m L/(gcat·h)、复合催化剂用量为1.0 g时,CuO-ZnO-ZrO_2/La-SAPO-34显示了良好的催化活性,二氧化碳的单程转化率为49.7%,低碳烯烃的选择性和产率分别为54.5%和27.1%。     

CuO-ZnO/(SAPO-34)-高岭土催化CO2加氢合成低碳烯烃

以廉价的高岭土为原料,三乙胺为模板剂,采用水热法制备了负载型催化剂(SAPO-34)-高岭土。通过将CuO-ZnO负载于(SAPO-34)-高岭土表面制备了双功能催化剂CuO-ZnO/(SAPO-34)-高岭土,用XRD、SEM、EDS、BET、H_2-TPR及NH_3-TPD对合成的催化剂进行了表征,将其用于催化CO_2加氢制备低碳烯烃,在反应温度为673 K、反应压力为3 MPa、空速为1 800 m L/(g_(cat)·h)、V(CO_2)∶V(H_2)=1∶3的条件下,CO_2单程转化率为43.5%,低碳烯烃的选择性和产率分别为63.8%和27.8%。在连续8 h的催化性能测试中,低碳烯烃的产率最低为18.7%。     

分子筛在双功能催化剂中催化CO/CO2加氢研究进展

双功能催化剂可将CO/CO_2加氢直接合成低碳烯烃、芳烃和汽油等,具有工艺流程短、能耗低的优势。双功能催化剂由金属氧化物和分子筛两部分组成,分子筛特定的腔体结构、酸性质及与金属氧化物的结合方式等均可显著影响其催化性能。该文综述了近年来分子筛在双功能催化剂中用于CO/CO_2加氢反应的研究进展,简述了分子筛的类型、酸性质、形貌及颗粒尺寸、金属改性、分子筛与金属氧化物的结合方式等对双功能催化剂催化性能的影响规律,展望了双功能催化剂中分子筛的发展趋势。     

新型FeCo双金属催化剂催化CO2加氢制低碳烯烃

CO₂加氢制备低碳烯烃是实现C1资源高值化利用的有效途径。为提高低碳烯烃选择性,以Fe-MOF为主体,对苯二甲酸为骨架配体,构建了金属比例可控的铁钴双金属催化剂（FeCo/MC）,阐明了双金属的协同作用及金属比例对加氢性能的影响。发现Co的添加可以增加催化剂表面碱性位而显著地改善CO₂吸附,促进铁的碳化并通过费托反应的CO消耗促进逆水煤气反应。同时,适宜的铁钴比有助于改善金属间亲密度,从而通过合理串联活性位以获取最佳的低碳烯烃选择性和尽可能低的甲烷选择性,铁钴比为6时CO₂转化率为32.72%,低碳烯烃选择性最高达到37.14%。     

用于催化甲醇制烯烃的SAPO-34分子筛合成的研究进展

介绍了用于催化甲醇制烯烃的SAPO-34分子筛合成的研究近况。SAPO-34分子筛的合成过程是影响其晶粒尺寸、酸性强弱等物化性能的重要因素, 因而是影响其催化性能的关键因素。本文详细叙述了原料配比及其种类、模板剂、F^-等合成因素对SAPO-34分子筛物化性能及其MTO反应催化性能的影响。针对SAPO-34合成及其催化性能优化的新技术, 综述了SAPO-34分子筛的金属改性及其超声波、微波辅助合成的特点和效果, 指出通过研发新的模板剂及其助剂、改性或制备新工艺进而改善分子筛的酸性、提高其烯烃选择性、延长催化反应寿命、降低合成成本是SAPO-34今后研发的重要方向。     

甲醇制烯烃用SAPO-34催化剂新进展

对近年来甲醇制烯烃(MTO)工艺及SAPO-34催化剂进展作了评述,亦对国内MTO的发展提出了建议。     

不同酸性SAPO-34分子筛的制备及其催化合成气制低碳烯烃性能研究

以三乙胺为模板剂,改变初始合成凝胶中n(SiO2):n(Al2 O3)调变SAPO-34分子筛的酸性质,合成了不同Si引入量的SAPO-34分子筛,并分别与ZnCrAlOx氧化物进行混合制备双功能催化剂,研究了其催化CO加氢直接合成低碳烯烃的性能.通过XRD、SEM、NH3-TPD、XRF以及N2吸附-脱附对分子筛的结...     

SAPO-34的改性及其在合成气制低碳烯烃中的应用

对金属氧化物与分子筛组成的双功能催化剂中的分子筛进行改性，可进一步提高合成气制低碳烯烃（STO）反应性能。采用水热法合成不同金属Me（Ce、Zn、Zr）及不同Zr掺杂量改性的SAPO-34分子筛，并与GaZrOx金属氧化物物理混合制备GaZrOx/SAPO-34双功能催化剂，考察其催化STO反应性能。采用XRD、TEM、SEM-EDS、BET、FTIR、NH3-TPD、XPS对分子筛表征发现，不同金属改性的分子筛均合成了具有CHA结构的SAPO-34，掺杂Zr提高了分子筛的相对结晶度，减小了颗粒尺寸。Zr掺杂量为1.0%（n(ZrO2)与n(Al2O3)的物质的量比为1:100）时合成的1.0%ZrSP-34分子筛颗粒尺寸最小，平均粒径为0.53 μm，且强酸量适中（1.34 mmol/g）；掺杂2% Zr时导致多余的Zr以ZrO2形式存在于分子筛表面，覆盖了强酸中心。与未改性的SAPO-34相比，采用掺杂1.0% Zr合成的1.0%ZrSP-34制备GaZrOx/1.0%ZrSP-34双功能催化剂，可使CO转化率从14.2%增加到21.2%，低碳烯烃选择性从71.0%提高至82.4%，且该催化剂反应60 h后未出现明显失活。     

载体对铁基催化剂结构及CO2加氢制烯烃反应性能的影响特性

铁基催化剂CO₂加氢直接合成烯烃是实现CO₂减排及CO₂转化与利用的最佳途径之一。目前铁基催化剂的CO₂加氢活性及反应过程中铁基催化剂结构强度仍然较低,成为CO₂加氢制烯烃产业化生产的重要挑战。通过浸渍法制备一系列负载型铁基催化剂,研究载体材料性质对铁基催化剂结构及CO₂加氢直接合成烯烃的影响特性。研究发现,载体可诱导铁基催化剂在CO₂加氢反应过程中形成的铁物种,同时影响铁基催化剂表面碳物种的有序度,调变对CO₂吸附及活化能力;研究结果表明ZrO₂负载的Fe催化剂展现出最佳的CO₂加氢合成烯烃催化性能,在温度320℃和反应压力2.0 MPa时,CO₂转化率>30%,C₂~C₇烃类产物中烯烃选择性高达85%以上,烯烷比为8.2,且CO选择性较低为17.1%。     

二氧化碳加氢合成低碳烯烃的研究进展

大气中逐年升高的二氧化碳浓度对全球环境产生了严重的影响。通过可再生能源得到的H₂与CO₂反应生成低碳烯烃,不但可以使CO₂得到资源化利用,还能减少低碳烯烃的生产对于石油资源的依赖。该技术还有望实现从海水中得到燃油。本文主要对CO₂加氢合成低碳烯烃的热力学、反应机理和催化剂研究进行了综述。目前,该反应中使用的催化剂以Fe系为主。文中简要介绍了直接转化催化剂中的载体、助剂和双金属活性组分对反应性能的影响以及经甲醇路线制低碳烯烃的双功能催化剂在该反应中的应用。高性能催化剂的设计以及反应机理的探索是CO₂加氢合成低碳烯烃未来的发展方向。     

基于金属有机骨架和稻谷壳前体构筑ZnZrO x &bio-SAPO-34双功能催化剂及CO2加氢制低碳烯烃

CO₂过量排放导致全球气候异常,通过CO₂催化加氢将CO₂转化为具有高附加值的基础化学品或燃料是实现碳循环的有效方式,同时也有助于实现我国的“碳中和”目标。本文报道了基于稻谷壳前体制备具有多层次、相互贯通的介孔及大孔结构的bio-SAPO-34分子筛,该结构有利于反应过程中反应中间体的传质。本文系统地研究了分子筛前体液浓度、微孔导向剂种类及浓度、生物模板加入量等因素对bio-SAPO-34合成过程中维持生物模板分级结构的影响规律。将bio-SAPO-34与ZnZrO _x 固溶体氧化物组装构筑ZnZrO _x &bio-SAPO-34双功能催化剂用于催化CO₂加氢制备低碳烯烃反应。在380℃、3MPa的反应条件下,双功能催化剂的CO₂转化率为11.8%,低碳烯烃的选择性为66.4%（占烃类产物）,且经过连续反应60h后未发现催化剂明显失活。     

金属氧化物在OX-ZEO催化剂中催化COx加氢制低碳烯烃研究进展

金属氧化物-分子筛（OX-ZEO）双功能催化剂可实现CO _x 加氢制低碳烯烃的高选择性转化。本文概述了OX-ZEO催化CO _x 加氢制低碳烯烃反应中金属氧化物的研究进展,通过对CO _x 加氢制甲醇/乙烯反应热力学分析指出了“接力催化”的优势,重点讨论了金属氧化物的种类和组成、制备方法及金属氧化物和分子筛的“亲密度”对催化性能的影响,探讨了催化反应机理、氧空位的作用及抑制副反应的策略。分析了OX-ZEO催化反应面临的问题和挑战,展望了OX-ZEO催化体系的发展趋势,认为通过元素掺杂、助剂修饰、优化制备条件等可提高金属氧化物的氧空位含量,进而可提高催化活性,也可通过对金属氧化物进行表面疏水改性抑制副产物CO₂,提高C原子利用率。     

硅含量对氯甲烷制取低碳烯烃的SAPO-34分子筛酸性的影响

以三乙胺-四乙基氢氧化铵为复合模板剂,合成了不同硅含量的SAPO-34分子筛,并采用XRD、NH₃-TPD、以及²⁹Si MASNMR等方法对其进行了表征,最后考察了不同硅含量SAPO-34分子筛催化转化氯甲烷制取乙烯、丙烯的反应性能。结果表明:硅铝比在0.10~0.80时,均能合成规整的SAPO-34立方晶粒;硅铝比低于0.05或高于1.00时,易伴随形成片状和无定形晶相。当硅铝比为0.6时,SAPO-34的结晶度最大,微孔比表面积为588m²/g,微孔体积为0.267cm³/g。硅铝比从0.05到0.60逐渐增大时,SAPO-34酸强度和酸数目明显增多,继续增大硅铝比,酸强度增强,弱酸数目减少。在T=425℃、氯甲烷WHSV=2.73h^-1时,对所合成SAPO-34分子筛催化氯甲烷的反应性能进行了评价,随硅铝比增大,SAPO-34的酸性增强,氯甲烷的初始转化率逐渐升高,然而二次反应加剧致使乙烯丙烯选择性略有下降。     

Effects of identities of supports on Fe-based catalyst and their consequences on activities of CO2 hydrogenation to olefins

The direct synthesis of olefins by CO₂ hydrogenation with iron-based catalysts is one of the best ways to achieve CO₂ emission reduction and CO₂ conversion and utilization. At present, the CO₂ hydrogenation activity and structural strength of the iron-based catalysts are still relatively low during CO₂ hydrogenation process, which has become an important challenge for the industrialization of CO₂ hydrogenation to olefins. In this work, a series of the supported iron-based catalyst was prepared by the impregnation method to study the influence of the properties of support materials on the structure of iron-based catalysts and the reactivities of the direct synthesis of olefins from CO₂ hydrogenation. This work found that the support induced the iron species formed during the process of CO₂ hydrogenation, simultaneously affected the order degree of carbon species on the surface of iron-based catalyst, and tuned the capability of CO₂ adsorption and the activities of CO₂ activation. The results shown that the Fe-based catalyst supported on ZrO₂ exhibited the best catalytic performance for CO₂ hydrogenation to olefins at 320℃ and 2.0 MPa. The CO₂ conversion (>30%) and the selectivity of olefins in C₂—C₇ hydrocarbon products were as high as over 85%, the ratio of olefins to paraffins was 8.2, and the CO selectivity was 17.1%.     

Effect of preparation methods on the structure and catalytic performance of Fe–Zn/K catalysts for CO_2 hydrogenation to light olefins

Potassium promoted iron–zinc catalysts prepared by co-precipitation method(C–Fe–Zn/K),solvothermal method(S–Fe–Zn/K)and hydrothermal method(H–Fe–Zn/K)could selectively convert CO_2to light olefins,respectively.The physicochemical properties of the obtained catalysts were determined by SEM,N_2physisorption,XRD,H_2-TPR,CO_2-TPD and XPS measurements.The results demonstrated that preparation methods had great influences on the morphology,phase structures,reduction and adsorption behavior,and hence the catalytic performance of the catalysts.The samples prepared by hydrothermal and co-precipitation method generated small uniform particles and led to lower specific surface area.In contrast,microspheres with larger specific surface area were formed by self-assembly of nanosheets using solvothermal method.ZnFe_2O_4was the only detectable phase in the fresh C–2Fe–1Zn/K,S–3Fe–1Zn/K and S–2Fe–1Zn/K samples.ZnFe_2O_4and ZnO co-existed with increasing Zncontent in S–1Fe–1Zn/K sample,while ZnO and Fe_2O_3could be observed over H–2Fe–1Zn/K sample.All the used samples contained Fe_3O_4,ZnO and Fe_5C_2.The peak intensity of ZnO was strong in the AR-H–2Fe–1Zn/K sample while it was the lowest in the AR-C–2Fe–1Zn/K sample after reaction.The formation of ZnFe_2O_4increased the interaction between iron and zinc for C–2Fe–1Zn/K and S–Fe–Zn/K samples,causing easier reduction of Fe_2O_3to Fe_3O_4.The surface basicity of the sample prepared by co-precipitation method was much more than that of the other two methods.During CO_2hydrogenation,all the catalysts showed good activity and olefin selectivity.The CO selectivity was increased with increasing Zncontent over S–Fe–Zn/K samples.H–2Fe–1Zn/K catalyst preferred to the production of C_5~+hydrocarbons.CO_2conversion of 54.76%and C_2~=–C_4~=contents of 57.38%were obtained on C–2Fe–1Zn/K sample,respectively.