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随着石油资源的日益枯竭,由煤转化为液体燃料作为未来石油的重要替代品已引起世界各国的广泛关注。煤经费托合成工艺合成的油品无硫、无氮、低芳,但粗产品中含有烯烃和含氧化合物,特别是油品中的酸性含氧化合物会造成设备腐蚀,需对其进行加氢精制,以提高油品的品质。
本论文以Ni基催化剂为研究对象,通过添加助剂Mo、W、Fe、Co和Cu等,以乙酸、乙醇为模型化合物,研究考察了助剂对Ni基催化剂加氢脱氧活性和选择性的影响;并研究表征了各助剂对催化剂活性组分的还原性能、分散度、电子特性以及表面酸性的影响;同时,研究考察了催化剂上有机含氧化合物的吸、脱附性能及乙酸加氢反应的中间物种,并对其C-C、C-O键断裂的催化作用机理进行了研究探讨。论文研究内容和相关结论如下:
(1)运用H2-TPR、XRD、XPS、LRS、H2-TPD和NH3-TPD等表征手段研究考察了助剂对Ni基催化剂的还原性能、分散度、电子特性等物化性质的影响。并以乙酸(或乙醇)为模型化合物,系统的考察了不同助剂(Mo、W、Fe、Co和Cu)对Ni基催化剂加氢脱氧活性、选择性以及C-C键和C-O键断裂的影响。结果表明:各助剂对催化剂活性组分的还原性能有较大影响,其中以Cu的助还原作用最好;同时,各助剂可不同程度的改变NiO活性组分的分散度,其助分散作用顺序为:Mo>Fe>W>Co>Cu;加入Mo、Fe、W助剂可提高Ni2p3/2的结合能;W、Mo、Co助剂的加入可提高催化剂的酸量,而加入Cu、Fe助剂后催化剂的酸量有所降低;Mo、Fe助剂可增加催化剂表面的氢溢流。Mo、W、Fe助剂的助还原、助分散和高的表面酸性可提高Ni基催化剂的加氢脱氧活性。在Ni/γ-Al2O3上,低温有利于乙酸C-O键断裂生成乙醇,生成的醇又可和乙酸生成乙酸乙酯,在200℃下乙酸乙酯的选择性可高达59.34%,升高温度Cu助剂则表现出较高的乙酸乙酯选择性;加入Fe或Mo助剂可增强催化剂的加氢能力,有利于C-O键活化并部分抑制了C-C键的断裂。结果表明Fe助剂更有利于乙醇的生成,而Mo助剂则表现出更高的乙烷选择性。
(2)采用乙醇或乙酸为模型化合物,研究考察了Fe、Mo助剂对含氧化合物在镍基催化剂上吸、脱附性能的影响。结果表明:Mo助剂对有机含氧化合物在催化剂表面的吸附有促进作用,而Fe助剂则表现出一定的抑制作用;Mo助剂更有利于乙醇的C-O桥式吸附,并促进了C-O键断裂;加入Mo、Fe助剂后,乙酸吸附在催化剂表面上均有CH3CO的生成,这表明Mo、Fe助剂可促进催化剂对乙酸的C-O单键断裂。
(3)运用原位红外技术,研究考察了Ni基催化剂上,Fe、Mo助剂对乙酸加氢反应中间物种的影响,研究结果表明:CH3CO与CH3COO是乙酸加氢脱氧反应的中间物种;加入Fe助剂有利于CH3CO加氢生成CH3CH2O; CH3CO的C-C键断裂生成中间吸附物种CO,其进一步加氢反应可生成甲烷。