新型CO2加氢合成甲醇的碳负载CuO/ZnO催化剂研究
工业生产甲醇通常采用由Cu、ZnO和Al2O3组成的催化剂，通过非均相催化CO和H2为主的合成气合成甲醇。作为碳源，CO2也是很好的原料。将CO2和H2合成甲醇就是其中一种可行的方案。将CO2为原料合成化工原料或燃料，不但可以解决当今化石燃料日渐短缺的问题，又可以回收利用温室气体CO2，变废为宝。但是以CO2和H2为原料合成甲醇与以CO和H2为主的合成气为原料合成甲醇存在许多不同之处。最为关键的一点，以CO2为原料气时，催化剂所在的气氛不同，这种气氛中水分的含量更高，现有催化剂效果不理想。因此，开发专门以CO2为原料合成甲醇的新型催化剂十分必要。 长期以来，碳材料因其具有许多优良的特性一直作为催化剂载体被广泛应用。具有有序孔道结构、高比表面积和比孔容，孔径分布集中的介孔碳，以及同样具有高比表面积和比孔容、并且来源广、价格便宜的椰壳活性炭，都是理想的催化剂载体材料。 本文研究了以介孔碳FDU-15(MC)和椰壳活性炭(AC)作为载体，采用一步法、沉淀法、浸渍-氨处理法、浸渍法和分步负载法制备了一系列用于CO2加氢合成甲醇的催化剂。采用XRD、XPS、N2等温吸附/脱附、Cu金属面积、差热-热重、SEM和TEM等技术对催化剂进行了表征，并测试了催化剂的催化性能。结合催化剂的表征结果分析了各种合成方法对催化剂催化性能的影响，探索了甲醇合成过程的机理。 在空白试验和载体的催化性能测试中，没有检测到CO2的转化以及甲醇的生成。商业催化剂的CO2转化率为25.2％，甲醇选择性为56％，甲醇产率为5.6 mmol· g-1 h-1。 以介孔碳(MC)作为载体制备甲醇合成催化剂: 1.采用一步法以MC为载体制得了催化剂。通过考察不同焙烧温度和升温速率等条件表明，较高焙烧温度(700℃)条件下得到的催化剂的比表面积较高，孔道结构发育更完全;较快升温速率(20℃/min)制得的催化剂中金属、金属氧化物分散度高，粒径均匀。但一步法合成的催化剂没有催化活性。 2.采用沉淀法（包括加入Cu Zn沉淀;Cu沉淀;Zn沉淀;共沉淀）以MC为载体制得了催化剂。加入Cu Zn沉淀和在MC上共沉淀Cu、Zn的催化剂中金属和金属氧化物以簇的形式分散在MC载体中，具有催化活性。其中，共沉淀法制备的样品MC-CZ-300-4的活性最高，CO2转化率为7.0％，甲醇选择性为28％，甲醇产率为0.8 mmol·g-1 h-1。通过对这些催化剂的研究表明，甲醇催化剂的活性中心是Cu/ZnO的临界面。 3.采用浸渍-氨处理法以MC为载体制得的催化剂中含有CuO、Cu2O和ZnO，高度分散在碳的孔道结构中。氨处理过程有效的抑制了前驱体分解过程中对碳的刻蚀，碳结构亦抑制了金属氧化物生长，二者相互作用的机制使碳载体上负载的金属氧化物高度分散，并且粒度均一。经和未经氨处理后焙烧温度的研究表明:未经氨处理产物700℃焙烧后不具有催化活性。而氨处理的催化剂700℃焙烧仍具催化活性。其中MC-CZ-NH3-700活性最高，CO2转化率为5.5％，甲醇选择性为27％，甲醇产率为0.6 mmol·g-1 h-1。对比发现，共沉淀法制备的催化剂MC-CZ-300-4催化活性最高。 以活性炭(AC)作为载体制备甲醇合成催化剂: 1.采用共沉淀法以AC为载体制得了催化剂，金属金属氧化物聚集在碳载体表面。当Cu、Zn负载量为25％时，金属氧化物的分散度较好，当Cu、Zn负载量增加到50％，金属氧化物发生团聚和沉积，生成的晶体颗粒较大。单独负载Cu或者Zn的催化剂都有一定的催化活性。共沉淀法制备的催化剂，适宜负载量为25％，催化剂的相对活性最高，CO2转化率为12.7％，甲醇选择性为31％，甲醇产率为1.5 mmol· g-1·h-1。 2.采用浸渍、浸渍-氨处理法以AC、AC-APS和AC-HNO3制得了催化剂。催化剂中的CuO/ZnO的分散度总体上优于共沉淀法制备的催化剂。浸渍法:通过对AC、AC-APS和AC-HNO3三种载体的研究发现，AC载体上CuO/ZnO随机分散;AC-APS和AC-HNO3载体上负载的CuO/ZnO高度分散，颗粒大小均匀(约为10 nm);三种催化剂中都含有Cu、Cu2O、CuO的混合物。AC-APS载体上单独负载Cu或者Zn，在相同焙烧条件下，Cu晶体较大，ZnO为无定型态，单独负载Cu或者Zn的催化剂没有催化活性。浸渍-氨处理法:所得的催化剂金属氧化物高度分散，粒径小于10nm。催化剂AC-CZ的活性最高，CO2转化率为15.3％，甲醇选择性为56％，甲醇产率为3.1 mmol·g-1·h-1。 3.采用分步负载法以AC、AC-APS为载体制得了催化剂。AC上分步负载Cu和Zn对催化剂活性影响不大，但对催化剂的稳定性影响较大，分步负载的催化剂的催化活性更稳定。AC-APS载体上分步负载Cu和Zn对催化剂活性影响很大。分步负载后的催化剂活性提高了3.5倍。对比发现:催化剂AC-C-Z的活性最高，CO2转化率为17.0％，甲醇选择性为51％，甲醇产率为3.2 mmol·g-1·h-1，该催化剂在使用了160 h后，催化活性仅降低8％。研究表明:催化剂AC-C-Z具有代替商业甲醇催化剂的潜质。
二氧化碳;加氢合成;甲醇;催化剂
东北大学
博士
冶金物理化学
翟玉春;Paul A.Webley;杨云霞
2015
中文
TQ223.121;TQ426
131
2015-12-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）