冷等离子体制备高效催化剂用于合成气制乙醇的研究

Ethanol received considerable interest in recent years to use in automobiles, either as an additive or as a potential substitute for gasoline. The emission of coke oven gas is 40 billion cubic meters in China every year. This coke oven gas can produce 13 million tons of ethanol. It has huge economic and social benefits. The route of syngas to ethanol is very important for nation's energy security. But this process often exhibit a low conversion and selectivity to alcohol products. The preparation of the highly efficient catalysts is the most important problem for syngas to ethanol. .In this project, cold plasma will be used for the preparation of heterogeneous catalyst. The size of the metal nanoparticles will be smaller and the dispersion of the particle is higher than that by convention method. The metal precursor will be decomposed to different morphology metal oxide by plasma for better activity and stability in reaction. Characterizations using XRD, TEM and XPS analyze the difference between the plasma treated catalysts and conventional catalysts. The plasma method will be systematically investigated with the aim of establishing a new and effective technique for the preparation of highly efficient catalysts. The activities of the plasma treated catalysts will be tested for synthesis of syngas to ethanol. In final, we can produce the catalysts with high selectively, activity and stability by plasma.

乙醇作为一种优质的液体燃料，被认为是替代和节约汽油的最佳燃料之一。中国每年排放的焦炉煤气大约400亿立方米，如果加以利用，每年可以生产1300万吨乙醇，产生巨大的经济效益和社会效益。从保障国家能源安全的角度，采用由煤出发生产合成气，合成气再合成乙醇具有重要意义。然而现有工艺单程转化率及生成乙醇的选择性仍较低，制备出活性好、选择性高、耐受性较强的催化剂已经成为合成气合成乙醇工艺的瓶颈。.本项目利用冷等离子体处理催化剂的优势，制备出尺度、形貌和结构可控的负载型金属催化剂。通过冷等离子体还原分解无机盐，得到特定形貌结构的金属颗粒或金属氧化物，使催化剂表现出优异的活性和稳定性。运用XRD、XPS、TEM等表征手段分析催化剂与传统焙烧的催化剂的区别，建立冷等离子制备催化剂的机理规律，并采用合成气合成乙醇的反应来价该催化剂，最终制备出高选择性，高活性的合成气合成乙醇催化剂。

从保障国家能源安全的角度，采用由煤出发生产合成气，合成气再合成乙醇具有重要意义。然而现有工艺单程转化率及生成乙醇的选择性仍较低，制备高效催化剂已经成为合成气合成乙醇工艺的瓶颈。本项目利用冷等离子体处理催化剂的优势，制备出尺度、形貌和结构可控的负载型金属催化剂。在实际研究过程中，我们通过实验研究与理论分析，得到了等离子体分解还原金属盐前驱体的制备方法，并初步得到了相关机理；等离子体通过离子液体改性和脱模版法制备催化剂载体也具有很强的创新性，通过这些方式制备的催化剂对合成气合成乙醇反应表现出较高的选择性和转化率。项目具体执行情况如下：.1. 完成了等离子体还原贵金属（Au、Pd、Pt、Rh等）的研究，通过辉光放电等离子体成功还原贵金属盐，并得到了分散较好的纳米金属颗粒。调变实验参数，还可以改变颗粒形貌，并初步得到等离子体还原机理，制得的催化剂与氢气还原法相比，活性组分分散更好，与载体作用更强。该制备方法，装置简单，操作方便，节省能耗，对环境友好。.2. 完成了等离子体分解金属盐前驱体制备金属氧化物催化剂的研究，通过介质阻挡放电等离子体成功将氢氧化铜分解为氧化铜等，并且颗粒更小，制得的催化剂与传统焙烧分解相比，催化剂的金属分散度、尺寸、形貌、活性组分相互作用以及与载体之间作用都有显著不同，通过优化等离子体制备条件，还可以进行可控制备。.3. 开发了一种冷等离子体固载离子液体改性碳载体的新技术，将离子液体的活性组分高效的嫁接到碳载体上，达到了改性载体的目的。该技术装置简单，操作方便，节省能耗，所制得样品离子液体分散均匀，用量少，且和载体之间有较强的作用力，具有优良的催化性能。.4. 开发了冷等离子体脱模板法制备分子筛载体的方法，有效地脱除ZSM-5、Hβ、MCM-41分子筛的模板剂。和热焙烧方法相比不会引起分子筛骨架结构的破坏或收缩，并且增加分子筛表面Brönsted酸和Lewis酸位。介质阻挡放电等离子体脱模板剂过程中不使用任何化学试剂。因此，可以说，介质阻挡放电方法是一种快速的、方便的、环境友好的脱除分子筛模板剂的方法。. 我们将上述成果成功应用到制备合成乙醇催化剂，与传统焙烧法相比，获得了很好的催化活性。目前已发表文章10篇，其中SCI收录6篇，EI收录1篇；申请中国发明专利2项；培养博士4人，硕士3人，并有1人晋升高级职称，超额完成了预定的目标。