基于铁基催化剂的合成气转化制备烯烃和芳烃

Alkenes and aromatics are one of the most important basic chemicals, the price of which are quite high. Synthesis of alkenes or aromatics through syngas from coal and natural gas is promising approach to obtain those important chemicals, especially for China. With our knowledge on the most active phase of FTS, Fe5C2, we plan to modify its surface structure as well as the electronic structure to make it a highly active and selective catalyst for alkenes production. On top of that, we will couple the aromatization catalysts, zeolites with designated structure and acidity, with Fe-based catalyst to obtain a tandem catalyst for highly selective aromatics production. Our goal is more than 30% aromatics yields in a single-run reaction.

烯烃和芳烃是最重要的基础化学品之一，价格较高。我国多煤少油，由煤或者天然气经过合成气制备烯烃和芳烃是保证我国能源安全和重要化学品生产的重要路线。 我们在掌握了Fe基催化剂上的合成气转化基本规律的基础上，通过对Fe5C2催化剂的改性和调控，以ZnO、ZrO2作为结构助剂，改变催化剂尺寸和活性，以碱金属作为电子助剂实现对催化剂结构的进一步调变并抑制加氢能力，从而实现对Fe基费托合成催化剂的活性和选择性的调变，获得高催化活性、高烯烃(不光是低碳烯烃)选择性的Fe基催化剂。同时，通过调控催化剂的结构来实现对于C-C键增长和断裂的精确控制，以及中间体反应行为的引导。将合成气制备烯烃和f分子筛上的烯烃芳构化两步反应有效耦合，高选择性的获得高附加值的芳烃化合物，实现合成气经过烯烃中间体一步高选择性生成高附加值产品-芳烃的催化过程。力争实现单程反应芳烃收率大于30%。

在世界石油资源趋于枯竭的背景下，由石油为主要支撑的能源和化工行业面临前所未有的挑战，本课题所涉及项目为解决能源危机现状提供了有效的思路。烯烃和芳烃作为重要的基础化学品，价格昂贵。我国多煤少油的能源现状，使得由煤或者天然气经过合成气制备烯烃和芳烃的路径，成为保证我国能源安全和重要化学品生产的重要路线。我们在掌握了Fe基催化剂上的合成气转化基本规律的基础上，通过对Fe5C2催化剂的改性和调控，以ZnO、MnO2作为结构助剂，对催化剂尺寸和反应活性进行了调控，以碱金属Na作为电子助剂实现了对催化剂表面电子结构的调变，以此来促进烯烃产物的脱附，同时抑制其被继续加氢，从而实现了对Fe基费托合成催化剂的活性和选择性的调变，获得了高催化活性、高烯烃(不光是低碳烯烃)选择性的Fe基催化剂。将其应用于光催化合成气转化过程中，首次在常压光催化条件下实现了合成气高效转化制备烯烃的过程，产物烯烷比高达11。同时，通过调控催化剂的结构以及中间体反应行为的引导，实现了对于C-C键增长和断裂的精确控制，将合成气制备烯烃和分子筛上的烯烃芳构化两步反应有效耦合，高选择性的获得了高附加值的芳烃化合物，实现合成气经过烯烃中间体一步高选择性生成高附加值产品-芳烃的催化过程，目前，芳烃的选择性最高可达50.6%。受此耦合反应的启发，开发了在无外加氢气的条件下，以水作为氢源，通过耦合WGS和FTS反应，将CO和水在低温（200oC）下实现了高活性高选择性转化到高附加值油品的过程，其中，C5+油相选择性高达68%。该过程在钢厂大量CO废气（转炉气中CO含量占70%）排放的背景下，为其有效转化和利用提供了可能。