CN111185180B - 二氧化碳加氢制高碳烯烃的催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于化工技术领域,具体为一种二氧化碳加氢制高碳烯烃的催化剂及其制备方法和应用。本发明的催化剂由锯齿金属型单壁碳纳米管束作为载体,负载铁、钾活性组分构成;催化剂中铁占催化剂总质量的8‑30%,钾占金属总质量的0.2‑5.0%。用于二氧化碳加氢反应,该催化剂能够将二氧化碳直接、高效地转化为高价值的烯烃,选择性达62%以上,其中高碳烯烃占60%以上。本发明的催化剂不仅烯烃选择性高于多壁碳纳米管负载的催化剂,而且催化活性高,能够以高于现有催化剂3倍以上的速率将二氧化碳加氢生成高碳烯烃,具有良好的环保意义和工业应用前景。
Description
技术领域
本发明属于化工技术领域,具体涉及一种二氧化碳加氢制高碳烯烃的催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
将温室气体二氧化碳与来源于可再生能源的氢气通过催化加氢反应生成高价值的化学化工产品,不仅可以消减大气中因二氧化碳排放过多造成的气候问题,同时也可以降低当前对化石资源的过度依赖。
烯烃产品具有重要工业应用价值。低碳烯烃(C2–C4 =)常作为基础化学化工原料,例如乙烯被大量用于生产热塑性聚合物或低聚物,它也是其他重要单体的原料,例如氯乙烯、乙酸乙烯酯、苯乙烯和乙二醇,其中一些单体还具有非聚合物用途。而高碳烯烃(C5+ =)是高辛烷值汽油、可生物降解的清洁剂、新聚合物、合成润滑剂、农药、涂料和腐蚀抑制剂等的重要原料来源。
然而,由于二氧化碳分子本身的化学惰性和较高的热力学稳定性,想要使催化剂在高效催化二氧化碳加氢生成烯烃的同时,保持烯烃的C=C双键不被加氢,面临着很大的挑战。对于高碳烯烃的生成,难点是低反应性的二氧化碳分子的活化需要高温,但高温对碳链增长形成长链化合物不利,因为随着温度升高,链增长因子会减小。因此,尽管对二氧化碳加氢制低碳烯烃研究得比较多,也能达到很高的效率,但目前对二氧化碳加氢生成全产物段烯烃的研究较少,尤其是对生成高碳烯烃的研究更少,而且时空得率很低,不利于工业应用。如王野等采用ZrO2作为载体负载K修饰的铁基催化剂,在二氧化碳转化率为43%时,烯烃选择性为63%,其中高碳烯烃C5+ =选择性仅为19%,副产物CO和CH4较多,高碳烯烃时空得率仅为2.6 μmolCO2 gFe –1 s–1(Catal. Today 2013, 215, 186–193)。孙剑等采用煅烧玉米芯得到的含有多种碱金属的助剂,与负载铁催化剂物理混合,用于二氧化碳加氢。在二氧化碳转化率为31%时,烯烃选择性为72%,其中C4+ =选择性可达50.3%。不足之处是催化剂活性较低,副产物CO选择性较高,C4+ =烯烃时空得率仅为5.9 μmolCO2 gFe –1 s–1(Commun. Chem. 2018,1, 11)。Tsubaki等使用双金属Fe/Co-YK催化剂,在二氧化碳转化率为25.9%时,烯烃选择性为70.9%,其中C4+ =选择性达到45.9%,但副产物CO和CH4仍比较高, C4+ =烯烃时空得率仅为0.9 μmolCO2 gFe –1 s–1(Catal. Commun. 2019, 130, 105759)。
鉴于现有的二氧化碳加氢制高碳烯烃催化剂存在的加氢活性低、碳原子利用率低的缺点,本发明以金属型锯齿结构单壁碳纳米管束(SWNTs)为载体、钾为助剂的铁基高效二氧化碳加氢制高碳烯烃催化剂,用于将二氧化碳高效转化为高碳烯烃,并与以多壁碳纳米管(MWNTs)做为载体的催化剂的催化特性作对比。研究结果表明,FeK/SWNTs催化剂对二氧化碳加氢制高碳烯烃反应出显示优秀的催化活性和选择性(在所有烯烃中>60%),以及较低的CO选择性 (<10%),其高碳烯烃的时空得率(26.5 μmolCO2 gFe –1 s–1)是目前已知的最高值。
发明内容
本发明的目的在于提出一种催化活性和高碳烯烃选择性高的二氧化碳加氢制高碳烯烃的催化剂及其制备方法和应用。
本发明提供的二氧化碳加氢制高碳烯烃的催化剂,是一种单壁碳纳米管负载铁钾催化剂,由作为载体的单壁碳纳米管束(SWNTs)负载铁、钾活性组分构成,所述的铁、钾活性组分附着于单壁碳纳米管束的外表面;记为FeK/SWNTs;催化剂中铁占催化剂总质量的8-30%,钾占金属总质量的0.2-5.0%。
本发明中,优选单壁碳纳米管束由管径为0.4-0.8 nm的金属型锯齿结构单壁碳纳米管组成。
本发明提供的二氧化碳加氢制高碳烯烃的催化剂的制备方法,具体步骤如下:
(1)取0.05-1.0g单壁碳纳米管束分散于20-120 ml去离子水中,超声0.5-5.0 h,然后磁力搅拌0.5-4.0 h;之后边搅拌边向上述悬浊液中逐滴加入3-10 wt%的铁盐溶液;滴加完毕后继续搅拌3.0-7.0 h,然后在50-90℃水浴中蒸干,之后置于80-110℃烘箱中干燥过夜,最后置于管式炉中在氩气保护下200-500℃焙烧2.0-6.0 h,降至室温后取出样品,研磨成粉状,得含铁催化剂,记为Fe/SWNTs;
(2)将上面制备的Fe/SWNTs催化剂分散于20-120 ml去离子水中,超声0.5-3.0 h,然后磁力搅拌0.5-4.0 h;之后边搅拌边向上述悬浊液中逐滴加入5-30 wt%不同体积的钾盐溶液;滴加完毕后继续搅拌3.0-7.0 h,然后在50-90℃水浴中蒸干,之后置于80-110℃烘箱中干燥过夜,最后置于管式炉中在氩气保护下200-500℃焙烧2.0-6.0 h;降至室温后取出样品,研磨成粉状,即得不同钾含量的一系列催化剂,记为FeK/SWNTs。
本发明中,所述的铁来源于硫酸亚铁、硝酸铁、亚硝酸铁、乙酰丙酮铁、氯化铁中的一种,优选硝酸铁、乙酰丙酮铁。
本发明中,所述的钾来源于硫酸钾、硝酸钾、碳酸钾、氯化钾中的一种,优选硝酸钾、碳酸钾。
本发明制备的催化剂能够直接、高选择性地将二氧化碳加氢为烯烃,而且对高碳烯烃选择性高,时空得率高。
本发明制备的催化剂用于二氧化碳加氢制高碳烯烃,具体操作步骤如下:
取0.05-1.0 g FeK/SWNTs催化剂,用石英砂将其限定在固定床反应器的中部;催化剂先用一氧化碳在250-450℃下活化3-16 h,随后通入H2和CO2的混合气体,在240-500℃、0.5-6.0 MPa下进行反应,按体积比计,H2/CO2 = 0.5-6.5;反应过程中,每隔一段时间采用高温高压取样阀取样,用气相色谱在线分析产物组成。
本发明所提出的催化剂设计策略制备得到的催化剂,能够以39.8%的选择性将二氧化碳转化为高碳烯烃(C5+ =),高碳烯烃时空得率(26.5 μmolCO2 gFe –1 s–1)为目前文献报道的最高值。
本发明提供的催化剂的催化性能可用如下方法评价:
在内径为1.0 cm、长度为47 cm的不锈钢固定床反应器中,用石英砂将催化剂限定在反应器的恒温段,反应原料气二氧化碳和氢气从反应器上端通过催化剂床层,调节温度和压力。反应温度为100-500℃,优选250-430℃。反应压力为1.1-5.3 MPa,优选1.9-4.2MPa。反应过程中,每隔一段时间采用高温高压取样阀取样,用气相色谱在线分析产物组成。
附图说明
图1为钾质量分数为3%的FeK3/SWNTs催化剂反应前的透射电镜照片。
图2为FeK3/SWNTs和FeK3/MWNTs催化剂的XRD谱。
图3为FeK3/SWNTs和FeK3/MWNTs上的烯烃产物分布。
具体实施方式
下面通过实施例进一步描述本发明,但并不因此而限制本发明。
实施例1:以单壁碳纳米管束为载体、铁为活性组分、钾为助剂的催化剂FeK3/SWNTs的制备及性能评价。
(1)取一定量单壁碳纳米管束(由管径为0.47 nm的金属型锯齿结构单壁碳纳米管组成)分散于100 ml去离子水中,超声2.0 h,然后磁力搅拌1.0 h;之后边搅拌边向上述悬浊液中逐滴加入一定浓度的铁盐溶液。滴加完毕后继续搅拌6.0 h,然后在60℃水浴中蒸干,之后置于110℃烘箱中干燥过夜,最后置于管式炉中在氩气保护下350℃焙烧4 h,降至室温后取出样品,经研磨后备用;
将上面制备的Fe/SWNTs催化剂分散于100 ml去离子水中,超声2.0 h,然后磁力搅拌1.0 h;之后边搅拌边向上述悬浊液中逐滴加入一定浓度不同体积的钾盐溶液。滴加完毕后继续搅拌6.0 h,然后在60℃水浴中蒸干,之后置于110℃烘箱中干燥过夜,最后置于管式炉中在氩气保护下350℃焙烧4 h;降至室温后取出样品,经研磨后即得FeK3/SWNTs催化剂;FeK3/MWNTs催化剂的制备方法和以上相同。
(2)取0.2 g FeK3/SWNTs催化剂用石英砂将其限定在固定床反应器的中部;活性评价前,催化剂用一氧化碳在350℃下活化8 h,随后通入H2/CO2 = 3的混合气在340℃、2.0MPa下进行反应;反应过程中,每隔一段时间采用高温高压取样阀取样,用气相色谱在线分析产物组成。
该实施例的反应结果列于表1。从表中可见,改变载体能够明显影响高碳烯烃的选择性,最优的FeK3/SWNTs催化剂上的高碳烯烃选择性为39.8%。在该催化剂上,高碳烯烃的时空得率达26.5 μmolCO2 gFe –1 s–1,是目前已知最高值。
图1为FeK3/SWNTs催化剂反应前的透射电镜照片,其中氧化铁纳米颗粒的平均粒径为5.1 nm,且粒径分布比较均匀。图2为FeK3/SWNTs催化剂的XRD谱,铁以氧化铁物相存在。
实施例2:反应压力对二氧化碳加氢制高碳烯烃的影响
取0.2 g FeK3/SWNTs催化剂,用石英砂将其限定在固定床反应器的中部;活性评价前,催化剂用一氧化碳在350℃下活化8 h,随后通入H2/CO2 = 3的混合气在340℃下进行反应,反应压力范围为1.0-3.0 MPa。反应过程中,每隔一段时间采用高温高压取样阀取样,用气相色谱在线分析产物组成。该实施例的反应结果示于表2。可知提高反应压力可以有效地提高原料转化率和高碳烯烃的选择性,优化的反应压力为2.0 MPa。
实施例3:反应温度对二氧化碳加氢制高碳烯烃的影响
取0.2 g FeK3/SWNTs催化剂,用石英砂将其限定在固定床反应器中部;活性评价前,催化剂用一氧化碳在350℃下活化8 h,随后通入H2/CO2 = 3的混合气在2.0 MPa下进行反应,反应温度范围为270-380℃。反应过程中,每隔一段时间采用高温高压取样阀取样,用气相色谱在线分析产物组成。该实施例的反应结果示于表3。可知适中的反应温度可以有效地提高高碳烯烃的选择性,优化的反应温度为340℃。
对比实施例1:多壁碳纳米管载体对二氧化碳加氢制高碳烯烃的影响
取0.2 g FeK3/MWNTs催化剂,用石英砂将其限定在固定床反应器中部,活性评价前,催化剂用一氧化碳在350℃下活化8 h,随后通入H2/CO2 = 3的混合气在340℃、2.0 MPa下进行反应。反应过程中,每隔一段时间采用高温高压取样阀取样,用气相色谱在线分析产物组成。该对比实施例的反应结果示于表1和图3。可见与单壁碳纳米管相比,用多壁碳纳米管做为载体的催化剂用于二氧化碳加氢时主要生成低碳烯烃,高碳烯烃的选择性和高碳烯烃的时空得率均显著低于前者,说明单壁碳纳米管对于高活性、高选择性地生成高碳烯烃的重要性。
表1、不同碳纳米管载体负载的催化剂对二氧化碳加氢制高碳烯烃的影响
表2、反应压力对FeK3/SWNTs催化剂上二氧化碳加氢制高碳烯烃的影响
表3、反应温度对FeK3/SWNTs催化剂上二氧化碳加氢制高碳烯烃的影响
Claims (4)
1. 一种二氧化碳加氢制高碳烯烃C5+ =的催化剂在二氧化碳加氢制高碳烯烃C5+ =中的应用,其特征在于,其中所述催化剂是一种单壁碳纳米管负载铁钾催化剂,由作为载体的单壁碳纳米管束负载铁、钾活性组分构成,所述的铁、钾活性组分均匀附着于单壁碳纳米管束的外表面;催化剂中铁占催化剂总质量的8-30%,钾占金属总质量的0.2-5.0%;所述的单壁碳纳米管束由管径为0.4-0.8 nm的金属型锯齿结构单壁碳纳米管组成;
具体操作步骤如下:
取0.05-1.0 g 所述催化剂,用石英砂将其限定在固定床反应器的中部;催化剂先用一氧化碳在250-450℃下活化3-16 h,随后通入H2和CO2的混合气体,在240-500℃、0.5-6.0MPa下进行反应,按体积比计,H2/CO2 = 0.5-6.5;反应过程中,每隔一段时间采用高温高压取样阀取样,用气相色谱在线分析产物组成。
2.如权利要求1所述的二氧化碳加氢制高碳烯烃C5+ =的催化剂在二氧化碳加氢制高碳烯烃C5+ =中的应用,其特征在于,所述催化剂的制备方法的具体步骤如下:
(1)取0.05-1.0g单壁碳纳米管束分散于20-120 ml去离子水中,超声0.5-5.0 h,然后磁力搅拌0.5-4.0 h;之后边搅拌边向所得悬浊液中逐滴加入3-10 wt%的铁盐溶液;滴加完毕后继续搅拌3.0-7.0 h,然后在50-90℃水浴中蒸干,之后置于80-110℃烘箱中干燥过夜,最后置于管式炉中在氩气保护下200-500℃焙烧2.0-6.0 h,降至室温后取出样品,研磨成粉状,得含铁催化剂;
(2)将上面制备的含铁催化剂分散于20-120 ml去离子水中,超声0.5-3.0 h,然后磁力搅拌0.5-4.0 h;之后边搅拌边向所得悬浊液中逐滴加入5-30 wt%不同体积的钾盐溶液;滴加完毕后继续搅拌3.0-7.0 h,然后在50-90℃水浴中蒸干,之后置于80-110℃烘箱中干燥过夜,最后置于管式炉中在氩气保护下200-500℃焙烧2.0-6.0 h;降至室温后取出样品,研磨成粉状,即得不同钾含量的一系列催化剂。
3.根据权利要求2所述的二氧化碳加氢制高碳烯烃C5+ =的催化剂在二氧化碳加氢制高碳烯烃C5+ =中的应用,其特征在于,所述的铁盐为硫酸亚铁、硝酸铁、亚硝酸铁、乙酰丙酮铁、氯化铁中的一种。
4.根据权利要求2所述的二氧化碳加氢制高碳烯烃C5+ =的催化剂在二氧化碳加氢制高碳烯烃C5+ =中的应用,其特征在于,所述的钾盐为硫酸钾、硝酸钾、碳酸钾、氯化钾中的一种。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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