合成气直接制芳烃催化材料的研究
芳烃是一类重要的有机化工原料，随着我国经济的发展和制造业的繁荣，芳烃逐渐供不应求，进口量和对外依存度不断攀升。目前芳烃的生产主要来源于石脑油催化重整，我国石油资源贫乏但具有丰富的煤炭资源，研究以煤为原料的替代合成路线对于缓解国内芳烃资源短缺，保障芳烃下游产业的安全健康发展具有重要意义。合成气(CO/H2)是煤炭清洁高效利用的主要方式之一，以煤气化产生的合成气为原料制备芳烃成为研究的热点，而传统的合成气制芳烃采用两步法，转化率和能量利用率低且反应设备复杂。 本课题设计了一种Fe嵌入到HZSM-5分子筛内部的Fe@HZSM-5双功能催化剂，成功地将费托合成反应与芳构化反应耦合，实现合成气一步法直接制备芳烃。 本文首先对嵌入型催化剂Fe@HZSM-5的最佳合成方法、晶化时间以及金属负载量和Si/Al比等制备条件进行探究。结合催化剂在合成气制芳烃反应中的性能以及XRD表征，确定以固相法制备的嵌入型分子筛结晶度较好，最佳晶化时间为72h。当Fe的负载量为15wt％，分子筛的Si/Al比为40时费托合成反应与芳构化反应达到最佳的耦合效果。 对嵌入型Fe@HZSM-5催化剂、物理混合型Fe-HZSM-5催化剂、负载型Fe/HZSM-5催化剂进行反应评价，并通过XRD、N2吸附-脱附、SEM、XPS、TG表征对催化剂的结构、形貌、表面元素组成、积碳等情况进行分析。结果表明合成的嵌入型催化剂Fe主要位于分子筛内部，与分子筛的酸性位点更加接近，促进了中间产物的芳构化。而且相比于物理混合和负载型催化剂，它有更多的介孔结构，促进了产物的扩散转移，并具有良好的抗积碳性能。我们进一步对反应条件进行优化，发现300℃、1.0MPa、H2∶CO=1时Fe@HZSM-5具有最佳的反应性能，在64.79％的CO转化率下芳烃选择性达到20.46％。 为了进一步提高产物中芳烃的选择性，我们引入Zn、Mn、Mo助剂合成了双金属嵌入型分子筛，并通过H2-TPR和NH3-TPD表征探究了不同助剂及负载量变化对催化剂还原性和表面酸性的影响。Mn、Mo和助剂使Fe物种的还原受到一定抑制，而适量Zn的加入促进了Fe的还原。三种助剂的加入都使嵌入型分子筛的表面酸量增加，提高了催化剂芳构化性能。
合成气;芳烃;嵌入型结构;Fe@HZSM-5;分子筛
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
张燚
2021
中文
TQ241;TQ246.12
2021-09-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）