二氧化碳加氢制烯烃铁基催化剂的制备和反应性能

作     者：公晓倩 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王周君;刘意

授予年度：2024年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：CO2加氢 Fe基催化剂 烯烃 泡沫铁 协同作用 

摘      要：利用可再生能源产生的H2将CO2直接转化为烯烃是非化石工艺生产高价值化学品的有效途径,也是CO2可持续利用的方法之一。传统的费托合成铁基催化剂是CO2加氢反应的首选,因为Fe3O4相是逆水煤气反应的活性位点,其在活化和反应过程中形成的Fe Cx是费托合成的活性位点。 碱金属和过渡金属常常作为电子助剂和结构助剂调控铁基催化剂的表面电子特性,提高其催化性能。本文基于铁基催化体系,探究了Na/ZnFe2O4催化剂在CO2加氢过程中的结构演变,研究了具有大孔结构和金属铁骨架的高强度泡沫铁催化剂的性能以及其活性位点的协同作用。主要的研究内容与结果如下: 1.制备了Na改性的ZnFe2O4尖晶石催化剂。在还原和反应过程晶相转变的顺序为ZnFe2O4→Zn O+Fe7C3+χ-Fe5C2→Fe O+Zn O+Fe7C3+χ-Fe5C2,Fe和Zn之间发生明显的相分离。Na助剂能显著增强碳化铁相（Fe7C3和χ-Fe5C2）的形成。同时Na助剂增加了Fe-Zn界面中的电子密度,增强了其解离CO*形成CHx*物种的能力,从而促进了烯烃的形成。这种Na改性的富电子Fe-Zn界面改变了催化剂表面氧化铁和碳化铁之间的平衡,加速了链生长反应,提高了串联反应的偶联效率。 2.制备了一种由高导电/热泡沫铁作为基底,在其表面原位生成氧化铁层,并与助剂（Mn和K）纳米颗粒耦合的催化剂体系（FF@Fe Ox-Mn-K催化剂）。这种大孔催化剂实现了77.3%的烯烃选择性,CO2转化率为40.5%,副产物CO的选择性仅为5.5%。运行1000h的过程中保持良好的稳定性。 3.对泡沫铁基催化剂的表界面解析。基于一系列表征发现:FF@FeOx-Mn-K催化剂能形成Fe3O4/χ-Fe5C2界面和Mn CO3/χ-Fe5C2界面等多个界面位点。由于Fe3O4/χ-Fe5C2界面的存在,可以提高两个反应（RWGS+FTS）的偶联效率。光谱和形貌研究表明,多个界面位点的存在和助剂（Mn和K）的加入增强了C-C偶联反应,抑制了副反应CO2甲烷化或烯烃二次加氢。