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协同高效的铁催化剂构建及其在CO2加氢制高碳烃中的应用
English
Construction of synergistic and efficient iron-based catalysts for hydrogenation of CO2 to higher hydrocarbons
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Key words:
- CO2 hydrogenation
- / high hydrocarbons
- / Fe-based catalyst
- / biomass
- / synergism
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随着CO2排放量逐年增加,温室效应越来越严重,众多学者致力于减少大气中主要温室气体CO2的浓度。在CO2的减排、存储及转化利用中[1-4],最合理、最有效的方法是将CO2转化利用制成燃料、化学品等以缓解能源危机[5, 6], 同时还可避免源于石油衍生的燃料燃烧后硫和氮化合物的排放。
CO2分子热力学稳定性高、吸附热低,难以吸附在催化剂表面,因此,其活化加氢、碳链增长能力较差。目前,CO2加氢产物以低碳烃为主,如CH4、CH3OH、HCOOH以及低碳烯烃等[7-9]。然而,作为高附加值化工原料,高碳烃的应用前景广泛,如可作为汽油、柴油、航空煤油等液体燃料[10, 11]。
目前,CO2加氢制高碳烃研究较少,主要包括两种路线[7]:一种是改性F-T路线,即CO2首先在金属催化剂上发生逆水气变换生成CO,CO再经过费托反应合成烃类,常见催化剂为Fe基催化剂,主要有Wei等[10]研究CO2加氢制汽油;另一种路线以醇类化合物为中间体,CO2经过改性铜系或其他金属催化剂首先合成醇类化合物,醇类化合物再在分子筛上反应合成烃类,主要有Gao等[11]研究CO2加氢制液体燃料,Liu等[12]研究CO2加氢制烃类,Ni等[13]研究CO2加氢制芳烃等。目前,CO2加氢制高碳烃处于初步研究阶段,收率较低,还未建立一个高效完整的催化体系。建立一个集高转化率、高选择性、高收率为一体的催化剂体系是当前的研究重点。
铁基催化剂价格低廉、逆水气变换活性高[14]。熔铁催化剂用于CO2加氢反应中活性较高,但产物主要是低碳烃,高碳烃选择性很低,需要助剂加以修饰改性。生物质灰分富含多种矿物质元素,其中的K、Mg、Ca等碱助剂常被用来做铁基催化剂上的改性助剂[15]。作者设计了一种以生物质灰分为助剂的熔铁催化剂用于CO2加氢制高碳烃反应。该催化剂使CO2逆水气变换生成CO、C-C耦合串联反应协调进行,高选择性地生成高碳烃类。同时研究生物质灰分助剂与融铁催化剂的相互作用及其催化协同效应,为设计开发新型高效CO2加氢制高碳烃催化剂积累理论知识。
1. 实验部分
1.1 催化剂的制备
融铁(FI)催化剂购买自南京化工厂。
生物质灰分助剂的制备:称取100 g玉米芯粉末于坩埚中,随后在马弗炉中600 ℃下焙烧3 h,待焙烧处理后的玉米芯灰烬自然降温至室温后取出保存,贴标签备用。将焙烧处理后富含矿物质元素的生物质灰分标记为B-ash。系列B-ash改性的融铁催化剂制备方法:将融铁粉末与B-ash按一定比例物理掺杂、研磨、压片、过筛(20-40目)后保存备用。记作FI-xB-ash(质量比:B-ash /FI=x/100,其中,x=0、1、5、10、15)。如无特殊说明,文中出现的FI-B-ash均表示B-ash添加量为5%(质量分数)。
1.2 催化剂的表征
样品的晶相结构分析在荷兰Philips公司生产的X’Pert PRO/PANalytical型自动X射线衍射仪上进行。实验条件是采用Cu Kα射线(λ =0.1543 nm),管电压40 kV,管电流40 mA,扫描速率5(°)/min,10°-90°扫描。
透射电镜(TEM)测试在JEOL JEM-2000EX型透射电子显微镜上进行,加速电压为120 kV。取少量样品超声分散于无水乙醇中,吸取少量滴到铜栅固定的聚乙烯醇缩甲醛膜上,待乙醇挥发后进行观测。
穆斯堡尔谱(MES)表征实验在Topologic 500A光谱仪上进行,其中,57Co(Rh)以恒定的加速模式作为放射源。
催化剂的比表面积在美国Quadrasorb SI型物理吸附仪上测定。以N2为吸附质在-196 ℃下进行恒温吸附-脱附,由吸附等温线结合BET方程计算比表面积。
程序升温脱附(CO2-TPD和CO-TPD)实验在美国麦克仪器公司的autochem Ⅱ 2920仪器上进行。催化剂首先在10% H2-90% Ar混合气中400 ℃下还原2 h,随后在Ar气氛下400 ℃吹扫0.5 h。对于CO2-TPD:Ar气氛中400 ℃降温至50 ℃后切换为吸附气体CO2,在50 ℃下吸附0.5 h,再切换为Ar吹扫0.5 h,然后以10 ℃/min升温脱附至800 ℃。对于CO-TPD:Ar气氛中400 ℃降温至25 ℃后切换为吸附气体CO,在25 ℃下吸附0.5 h,再切换为Ar气吹扫0.5 h,然后以10 ℃/min升温脱附至800 ℃。
1.3 催化剂的性能评价
在不锈钢固定床反应器上进行催化剂性能评价实验。将0.5 g的FI-xB-ash催化剂与1.0 mL相同目数的石英砂混合均匀,然后装入反应器中,并使催化剂床层位于加热炉中部的恒温区内。反应前催化剂预先在常压、400 ℃、H2(40 mL/min)气氛下还原9 h。还原结束后降至280 ℃。随后切换至反应气(体积比:H2/CO2/N2=72 :24 :4, N2为内标),快速调整至反应的温度和压力。反应产物采用两台气相色谱仪进行在线分析。首先,反应产物经保温后进入第一台气相色谱仪进行全部有机物分析。采用装有氢火焰检测器(FID)和Varian CP-SiL PONA柱(100 mm × 0.25 mm × 0.5 μ m,载气Ar)的岛津GC-2014气相色谱检测。产物经冷阱冷却后进入装有热导池检测器(TCD)和TDX-01填充柱(1.5 m × 3 mm,载气He)的岛津GC-8A气相色谱,检测尾气中的N2、CO、CH4和CO2。CO2转化率采用N2内标法进行计算。烃产物的选择性用各自的色谱峰面积经校正因子校正后,由面积归一化法计算。CO2转化率和产物选择性通过以下公式计算:
$ x({\rm{C}}{{\rm{O}}_2}) = [{n_0}({\rm{C}}{{\rm{O}}_2}) - n({\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}})]/{n_0}({\rm{C}}{{\rm{O}}_2}) \times 100\% $
(1) $ s\left( {{\rm{CO}}} \right) = n\left( {{\rm{CO}}} \right)/[{n_0}({\rm{C}}{{\rm{O}}_2}) - n({\rm{C}}{{\rm{O}}_2})] \times 100\% $
(2) $ s(i) = {w_i}/\sum {w_i} \times 100\% $
(3) 式中,x(CO2)为CO2转化率,s(CO)为产物CO的选择性,s(i)为烃产物i的选择性。n0(CO2)和n(CO2)分别代表反应前和反应后CO2的摩尔数。wi代表烃产物i的物质的量。
2. 结果与讨论
2.1 催化剂的表征
2.1.1 B-ash的组成
焙烧后的玉米芯灰烬中含有K、Si、Ca、Al、Mg等多种无机元素[15],这些元素常被用作二氧化碳加氢反应的改性助剂。如:碱性金属助剂能够改变反应分子在催化剂表面的吸附能力,合适的催化剂表面碱性有助于提升催化剂对CO2的吸附[16, 17]。碱性金属助剂K能够改变反应分子在催化剂表面的吸附能力、促进碳化物生成,而碳化物是C-C键耦合反应的活性相[18]。因此,适量K助剂能促进C-C耦合反应进行,使产物由低碳烃向高碳烃方向转移。Si、Al等结构助剂能够提高催化剂的机械强度、优化催化剂的粒径尺寸及分布、增加催化剂的比表面积[19]。同时,之前的研究证明多种助剂间存在独特的协同作用,可有效提升铁催化剂的催化性能[15, 20, 21]。
为确定生物质灰分助剂中各元素的准确含量,对B-ash进行了X射线荧光光谱表征(XRF)。结果见表 1[15]。由表 1可知,B-ash中碱金属元素K含量较多,另外也有少量的常用作结构助剂的Si、Al元素。
表 1
Material Composition of element w/% O K Si Ca Cl Al Fe Mg P Na S others B-ash 26.9 22.8 21.8 7.2 6.8 5.6 3.2 2.1 1.0 0.9 0.8 0.9 2.1.2 催化剂的比表面积
表 2为不同助剂添加量催化剂的比表面积,由BET表征可知,新鲜的和修饰后的熔铁催化剂比表面积均较小,且加入助剂后,比表面积有所下降。但从反应结果上看,反应物及产物的内部传质扩散对性能的影响并不敏感,控制碳碳键偶联进行链增长的关键在于外表面的基元催化反应。
表 2
Catalyst FI FI-1-B-ash FI-5-B-ash FI-10-B-ash FI-15-B-ash Surface area A /(m2·g-1) 4.3 1.7 1.7 1.0 1.4 2.1.3 催化剂的形貌和物相
图 1(a)、(c)分别为反应后FI和FI-B-ash催化剂的TEM照片,图 1(b)、(d)分别为反应后FI和FI-B-ash催化剂粒径分布图。结合四张图可知,FI催化剂粒径较大且分布较宽,主要集中在15-20 nm。而FI-B-ash催化剂(图 1(c))粒径较小且分布较窄,主要集中在5-7.5 nm,这可能与B-ash中的Si、Al作为结构助剂有关。这表明融铁的生物质灰分助剂改性可促进其活性金属粒子分散,活性金属颗粒变小。
图 1
铁基催化剂上的费托合成反应是结构敏感型反应[22],优良的粒径分布对催化剂活性和选择性很重要[23]。FI-B-ash中的粒径特点符合粒子尺寸效应[24],小粒子的活性位为原料气和活性相提供更多的接触面,有利于维持产物低的CH4选择性和高的低碳烯烃选择性。
为了分析反应前后FI及FI-B-ash催化剂物相组成,对其作了XRD表征,具体见图 2。其中,图 2 a-e 代表新鲜的催化剂,图 2 f-g 代表反应后的催化剂。反应前催化剂的衍射峰均峰形尖锐,表明其具有良好的晶型。图 2中a-e 衍射峰位置基本相同、f-g衍射峰位置也基本相同,表明助剂并未出现衍射峰,这可能是助剂添加量少的缘故。对比b、g衍射峰可发现,反应前铁物种主要以FeO形式存在,反应后主要以Fe3O4、FexCy以及Fe形式存在。FI催化剂也有类似情况。
图 2
说明经还原和反应阶段,催化剂各组分(铁的氧化物、碳化物等)处于动态平衡状态。
XRD结果表明,FI和FI-CC催化剂中铁物种存在形式基本相同,但无法给出含量方面的信息,因此,作者对反应后的FI及FI-CC催化剂做了穆斯堡尔谱(MES)表征。表征结果见图 3。反应后FI催化剂中铁物种有α -Fe、Fe3O4、Fe3C、Fe5C2和spm-Fe3+,而FI-B-ash催化剂中有新相Fe3C出现、Fe5C2含量明显增多、α -Fe含量明显减少,Fe3O4略有减少,spm-Fe3+几乎不变。这说明:B-ash的加入能使铁物种碳化为Fe3C;有利于α -Fe碳化生成FexCy。这可能与B-ash中矿物质元素(K、Ca、Mg、Si、Al等)独特的协调作用有关[15]。
图 3
CO2加氢反应分两步进行:
CO2 + H2 →CO + H2O
$ \Delta {{H}_{1}}\left( 573\text{K} \right)=38\text{kJ/mol}\left( 逆水气变换 \right)~ $
(4) nCO + 2nH2 → (CH2)n + nH2O
$ \Delta {{H}_{2}}\left( 573\text{K} \right)=-166\text{kJ/mol}\left( \text{F}-\text{T合成} \right) $
(5) Fe3O4和FexCy分别是逆水气变换、C-C耦合的活性位点,铁的碳化物含量增加促进C-C耦合反应的进行,提升高碳烃类产物的选择性[10]。Fe3C和α -Fe都能促进CO的吸附[7, 25], 使更多CO参与耦合反应。另外,相比于Fe5C2,Fe3C还有抑制CH4生成的作用[15]。
2.1.4 催化剂的吸附性能
为了探究活化状态下的催化剂对CO、CO2气体的吸附性能,本研究采用CO-TPD、CO2-TPD技术对其进行表征,具体见图 4和图 5。
图 4
图 5
由图 4可知,加入助剂后,高温脱附峰变强且脱附温度向高温方向移动,表明催化剂对CO的吸附明显增强。从而有利于CO在催化剂活性位点上碳碳耦合,生成高碳烃。
由图 5可知,加入助剂后高温脱附峰变强且脱附温度向高温方向移动,表明助剂的加入促进了催化剂对CO2的吸附。
2.2 助剂添加量对CO2加氢反应性能的影响
由于铁的碳链增长能力比较弱, 熔铁催化剂上CO2加氢反应产物以低碳烃(C2-4)为主[26], 因此,为增加融铁催化剂上CO2加氢反应产物中高碳烃选择性,需添加合适助剂加以改性,因此,本研究考查了以生物质灰分为助剂的融铁催化剂上CO2加氢制高碳烃的加氢性能。
为研究B-ash添加量对CO2加氢性能的影响,对含不同B-ash添加量的融铁催化剂做性能评价实验,具体见图 6。由图 6可知,加入助剂后CH4选择性明显降低、C4+高碳烃类选择性明显升高。随着B-ash添加量的增加,CH4选择性呈现先降低后升高的趋势,C4+烃类选择性呈现先升高后降低的趋势。当B-ash添加量为5%时,CH4选择性由20.8%减少到9.5%,C4+烃类选择性由51.3%增加到71.9%,在有效抑制甲烷生成的同时明显提高了高碳烃的选择性,所以B-ash最佳添加量为5%。
图 6
B-ash的加入,优化了α -Fe、Fe3O4、Fe5C5、Fe3C四相的比例,使Fe3O4活性位上逆水气变换反应和在FexCy活性位上的C-C耦合反应高效协调串联进行。且由于α -Fe和Fe3C对CO的吸附作用,使更多的CO参与到C-C耦合的反应中去,从而提高产物的选择性。这可能与B-ash中矿物质元素独特的协调作用有关。表 2中FI-B-ash催化剂中α -Fe和Fe3O4含量变少,FexCy含量增加,说明K作为主要的电子助剂,能促进大量FexCy的生成[27-29]。而FexCy是C-C耦合的活性位点,在抑制CO2甲烷化的同时提高C-C耦合能力[30], 从而提高碳烃类化合物的选择性[10]。另外,B-ash中的Ca和Mg元素对抑制甲烷生成、提高C-C耦合能力也有一定作用[16]。然而,过量的助剂会使催化剂碳沉积加剧、覆盖活性位点,使催化剂活性减弱、选择性变差,不利于产物的生成。
2.3 反应条件的影响
温度、压力、空速等反应条件影响催化剂的催化性能,为此,作者对反应条件进行优化。如果不作特殊说明,B-ash添加量均为5%(质量分数)。
2.3.1 空速对催化性能的影响
表 3为空速对CO2加氢性能的影响。由表 3可知,空速对CO2转化率和CO选择性影响较大,对CH4和C4+选择性影响不大。随空速的增加,CO2转化率呈现先降低后升高的趋势,CO选择性变化趋势与之相反。原料气空速对二氧化碳加氢活性、反应产物的选择性具有明显影响,适当地增加空速有利于制备高碳烃。当空速为4800 h-1时,C4+烃类选择性最高,CH4选择性降到最低值。
表 3
Velocity /h-1 CO2 conv. x/% CO sel. s/% Hydrocarbons sel. s/% CH4 C2, 3 C4+ 2400 44.4 11.86 9.9 19.1 71.0 4800 28.1 35.9 9.5 18.6 71.9 9600 29.8 28.0 10.6 19.4 70.0 reaction conditions: H2/CO2=3.0, t=320 ℃, p=1.0 MPa 2.3.2 压力对催化性能的影响
CO2加氢反应是体积减小的反应,因此,升高压力,有利于反应正向进行。由表 4可知,压力对CO2转化率及CO选择性影响较大。随着压力的升高,CO2转化率升高、CO选择性降低、CH4选择性略有升高,C4+烃类选择性先升高后降低。当反应压力为1.0 MPa时,在维持较高二氧化碳加氢活性的同时,C4+的选择性最大,有利于高碳烃的生成。因此,最佳反应压力为1.0 MPa。
表 4
Pressure p/MPa CO2 conv. x/% CO sel. s/% Hydrocarbons sel. s/% CH4 C2, 3 C4+ 0.5 27.0 45.3 9.4 19.4 71.2 1.0 28.1 35.9 9.5 18.6 71.9 2.0 38.7 13.8 10.7 18.8 70.5 reaction conditions: H2/CO2=3.0, t=320 ℃, v=4800 h-1 2.3.3 温度对催化性能的影响
CO2加氢制高碳烃反应分两步进行:第一步是逆水气变换反应(RWGS),是将CO2转化为CO的吸热反应;第二步是CO通过费托合成生成烃类物质的放热反应。因此,寻找合适的温度以协调好两步反应对CO2加氢制高碳烃反应很重要。
系列温度梯度下CO2加氢制高碳烃反应评价结果见表 5。
表 5
Temperature t/℃ CO2 conv. x/% CO sel. s/% Hydrocarbons sel. s/% CH4 C2, 3 C4+ 280 21.0 34.4 9.9 17.1 73.0 300 23.8 37.8 8.1 18.0 73.9 320 28.1 35.9 9.5 18.6 71.9 340 32.8 31.6 12.6 21.0 66.4 reaction conditions: H2/CO2=3.0, p=1.0 MPa, v=4800 h-1 随着温度的升高,CO2转化率逐渐升高、CO和C4+烃类选择性先升高后降低,CH4选择性先降低后升高。在300 ℃时,CH4选择性最低、C4+烃类选择性最高。因此,最佳反应温度为300 ℃。
3. 结论
本研究采用物理掺杂法制备了生物质灰分为助剂的融铁催化剂。反应评价及相关表征表明,生物质灰分助剂的加入:能优化Si、Al等结构助剂的含量,从而有效调控催化剂粒径大小及分布,增大催化剂比表面积,为反应提供更多的活性位点。能优化K、Ca、Mg等电子助剂的含量,从而促进铁物种的碳化,提高催化剂对CO的吸附能力、提高C-C偶合能力。Fe3O4、Fe5C2、Fe3C和α -Fe四相协同共存,使逆水气变换反应与C-C偶联反应高效串联进行,在明显提高高碳烃类产物选择性的同时,有效抑制CH4生成。通过优化制备条件和反应条件,高碳烃类选择性最高可达73.9%,此时CH4选择性仅为8.1%。本工作以主要的温室气体CO2为原料制备高碳烃类,可为CO2的资源化利用提供新途径。同时,与传统石油精制得到的液体燃料相比,CO2加氢产物中不含氮、硫成分,避免了燃烧后对环境污染的问题。
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表 1 B-ash元素组成及含量
Table 1. The elemental composition of calcined corncob
Material Composition of element w/% O K Si Ca Cl Al Fe Mg P Na S others B-ash 26.9 22.8 21.8 7.2 6.8 5.6 3.2 2.1 1.0 0.9 0.8 0.9 表 2 不同催化剂的比表面积
Table 2. Specific surface area of different catalysts
Catalyst FI FI-1-B-ash FI-5-B-ash FI-10-B-ash FI-15-B-ash Surface area A /(m2·g-1) 4.3 1.7 1.7 1.0 1.4 表 3 空速对CO2加氢性能的影响
Table 3. Effect of velocity on the performance of CO2 hydrogenation
Velocity /h-1 CO2 conv. x/% CO sel. s/% Hydrocarbons sel. s/% CH4 C2, 3 C4+ 2400 44.4 11.86 9.9 19.1 71.0 4800 28.1 35.9 9.5 18.6 71.9 9600 29.8 28.0 10.6 19.4 70.0 reaction conditions: H2/CO2=3.0, t=320 ℃, p=1.0 MPa 表 4 压力对CO2加氢性能的影响
Table 4. Effect of pressure on the performance of CO2 hydrogenation
Pressure p/MPa CO2 conv. x/% CO sel. s/% Hydrocarbons sel. s/% CH4 C2, 3 C4+ 0.5 27.0 45.3 9.4 19.4 71.2 1.0 28.1 35.9 9.5 18.6 71.9 2.0 38.7 13.8 10.7 18.8 70.5 reaction conditions: H2/CO2=3.0, t=320 ℃, v=4800 h-1 表 5 温度对CO2加氢性能的影响
Table 5. Effect of temperature on the performance of CO2 hydrogenation
Temperature t/℃ CO2 conv. x/% CO sel. s/% Hydrocarbons sel. s/% CH4 C2, 3 C4+ 280 21.0 34.4 9.9 17.1 73.0 300 23.8 37.8 8.1 18.0 73.9 320 28.1 35.9 9.5 18.6 71.9 340 32.8 31.6 12.6 21.0 66.4 reaction conditions: H2/CO2=3.0, p=1.0 MPa, v=4800 h-1 -
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