费托合成铁基催化剂碳化失活机理的理论研究

At present, iron-based catalysts have been successfully used in industrial coal-based FTS. While, the catalytic mechanism is very complicated because of the complex phase transition and the coexistence of various phases in the iron-based catalyst during the reaction. For one thing, these problems restrict the development of heterogeneous catalysis theory, for another, will directly affects the activity, selectivity and stability of catalysts in industrial production. In the FT reaction process, the phase transition of the catalyst is accompanied by the carburization reaction and the carbon deposition. Moreover, In the FTS, the deactivation of the Fe-based catalyst is closely connected with the phase transition, carburizing process and carbon deposition of the catalysis., but it is difficult to choose a unified approach to such system because of the complexity of the mechanism ontology and the limitations of research methods. This project plans to investigate the dynamic process of infiltration, diffusion and precipitation of Carbon atoms in Fe-based catalyst by using the method of ReaxFF and make a whole analysis of carburization, the phase transition and carbon deposition of Fe-based catalyst. This work will study the phase formation and transformation of FexC and analyze of the nature of carburizing and carbon deposition at the same time. Finally, to explore the mechanism of carbonization deactivation in FTS.

目前，铁基催化剂成功应用于工业煤基F-T合成中，由于在反应过程中铁基催化剂存在复杂的物相变化和多种物相共存的情况，使得催化机理十分复杂，这些问题一方面制约着多相催化理论的发展，另一方面直接影响工业生产中催化剂的活性、选择性和稳定性等性能。在F-T反应过程中，催化剂物相变化伴随着渗碳反应和积碳反应，这些过程在一定条件下对催化性能的影响甚至超过相变过程本身的影响。同时，就研究体系本身，铁基催化剂碳化失活与催化剂的相变过程、渗碳过程及积碳过程密不可分的，但由于机理本身的复杂性以及研究手段的局限性很难选择统一方法对体系进行研究。申请人拟采用反应力场（ReaxFF）分子动力学的方法，研究碳在铁基催化剂中渗入、扩散、析出的动态过程，并将与之伴随渗碳过程，Fe基催化剂的相变过程，积碳过程，作为一个整体进行分析，在研究FexC相形成及相转化的同时分析渗碳与积碳的本质，探索费托合成铁基催化剂碳化失活机理。

积碳经常发生在工业过程中，如费托合成中催化剂的积碳加剧了理解这些工业过程的难度，研究Fe基催化剂的碳化过程，碳原子扩散对于许多工业产品的生产至关重要，如铁碳化合物，不锈钢和碳材料等，目前关于积碳仍然存在着激烈的争论。本项目通过开发适用于Fe/C复杂相结构下的反应力场，用于研究FexC在体相、面向及纳米粒子中的渗碳、积碳及Fe-C物相变化。采用反应分子动力学模拟的方法在相同或者近似的尺度及催化环境下对铁基催化剂体系碳化过程进行模拟，获得所有原子、分子的运动轨迹以及其结构随时间的演变的信息，通过数据分析，研究碳在铁基催化剂中渗入、扩散、析出的动态行为，探索其在催化剂中最优的扩散及反应路径，研究FexC的相结构及其在不同温度下物相转变的性质等。通过本项目的研究，厘清了碳原子在Fe基催化剂吸附、渗碳和积碳行为，探寻出碳在铁基催化剂中扩散及反应的最优路径，阐明了“渗碳过程”—“Fe基催化剂的相变过程”—“积碳过程”之间的关系，进而明晰Fe基催化剂碳化失活的机理。通过上述研究，预计发表SCI文章5篇，培养4名研究生。