CuCoFe基催化剂用于二氧化碳加氢制C2+醇性能的研究

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全球气候变暖已成为影响生态平衡的环境问题之一,而近年来大气中CO2浓度的急剧升高使这一环境问题更加凸显。以CO2气体为碳源通过催化加氢合成高附加值的化学产品和清洁燃料是资源化利用CO2的一条有效途径。
  研究表明,Co、Fe基F-T合成催化剂可以在较温和的反应条件下展现出较好的C2-C4混合醇(以下统称C2+醇)的合成性能,而Cu是有效的低温加氢活性组分,通过三活性组分的相互作用有希望进一步提高C2+醇的选择性。本文以Cu、Co、Fe为活性组分,利用TiO2孔道丰富的特点,采用溶胶-凝胶一步法制备了CuCoFe@TiO2三元催化剂,并将其应用于CO2加氢制备C2+醇的研究。通过不同方式调变催化剂中活性组分比例和焙烧温度(空气气氛),结合催化剂的XRD、BET、CO2-TPD、H2-TPR、SEM等表征进行分析,主要得到以下结论:
  (1)CuCoFe三组分的协同作用是C2+醇合成的关键因素。通过固定催化剂活性组分总含量(物质的量)不变,调整CuCoFe比例,会改变催化剂的碱性位数量,从而影响到产物分布。中强碱性位数量与C2+醇选择性呈线性关系,Cu1Co0.5Fe2/TiO2催化剂中强碱性位数量最大(为43.3%)时,总醇选择性和C2+醇选择性达到最大,为18.9%和16.8%。
  (2)通过考察催化剂焙烧温度(空气气氛)对CO2加氢制备C2+醇催化性能的影响发现,低温有利于催化剂保持大的比表面积,活性组分在载体的孔道结构内均匀分散,有利于提高CO2转化率和C2+醇选择性,200℃焙烧的催化剂CO2转化率和总醇选择性达到最大,为7.34%和28.5%,C2+醇选择性也达到16.5%。
  (3)通过单一调变Co或Fe含量发现,适量Fe物种的加入使TiO2载体保持锐钛矿晶型,并使活性组分在载体中均匀分散,且载体的处于无定形状态更加有利于CO2转化和C2+醇的生成,但是过量的Fe物种,更加有利于逆水煤气反应的进行,当Fe含量为17.0%时,CO2转化率达到9.71%,总醇和C2+醇选择性分别达到24.5%和21.1%;适量Co物种的添加,有利于总醇和C2+醇的产生,当Co含量为17.0%时,CO2转化率达到10.0%,总醇和C2+醇选择性达到最大,为26.8%和23.6%。同时,通过实验分析发现,适量的Fe或者Co含量都会提高催化剂中强碱性位的数量,中强碱性位数量越多越有利于C2+醇的生成。
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