铁基煤直接液化催化剂的原位固相合成及性能研究

Direct coal liquefaction (DCL) is one of effective routes for coal-to-liquid. It is very important to improve the performance of catalysts for the DCL. In this project, iron oxide nanoparticles supported on coal (FeOx/coal) will be obtained through an in-situ solid-state chemical reaction among ferric salts, coal, and sodium hydroxide. Co and Ni doped FeOx/coal will also be prepared by the similar method. The catalysts loaded on coal will be used for DCL. It will be revealed the relationship between structure and property of the catalysts based on their results of characterization and evaluation. The in-situ solid-state synthesis of iron-based catalysts may be beneficial to the process of DCL.

煤直接液化技术作为一种将煤转化为液体产物的有效途径，可以实现对煤炭资源的洁净利用。其中，高效催化剂的开发对于该技术的切实应用至关重要。本项目拟由铁盐、煤粉和碱之间的低热固相化学反应，在煤上原位担载纳米氧化铁，通过改变原料比例和引入微量钴盐、镍盐，合成系列负载于煤上的铁基纳米氧化物，表征其结构特征，考察它们在煤直接液化反应中的催化性能。基于表征和性能评价结果，我们将系统研究氧化铁/煤复合物催化剂、钴（镍）掺杂氧化铁/煤复合物催化剂结构与性能之间的构效关系，揭示以煤为载体的复合物催化剂对于煤加氢裂解的催化机理。通过本项目研究，有望实现纳米氧化铁和钴（镍）掺杂氧化铁在煤上的原位固相合成，开发出具有优良催化性能的煤负载型铁基纳米催化剂。

为了获得用于煤直接液化反应的高效催化剂，本项目通过原位固相法，以煤作为载体，制得了系列担载型铁基复合物，考察了载体性质、制备条件对复合物结构的影响情况，并评价了它们对新疆大黄山煤直接液化的催化性能。主要研究结果如下：（1）通过酸处理对载体煤进行改性，煤表面官能团含量明显增加，这些官能团将在一定程度上影响复合物催化剂的结构，同时酸的种类对处理后煤的表面性质影响无明显区别。（2）通过原位固相反应，以煤作为载体制备出煤担载的纳米β-FeOOH复合物，与β-FeOOH相比，其使煤的转化率和油产率得以提高，即转化率由89.96 wt%提高到92.88 wt%，油产率由36.40 wt%提高至48.78 wt%。（3）同时引入二价铁盐与三价铁盐，经原位固相法制得了煤担载的纳米Fe3O4复合物，且使用酸处理煤作为载体可使复合物中Fe3O4尺寸进一步减小，铁元素在催化剂表面分布更均匀，从而对催化煤直接液化有更高的转化率和油产率，转化率提高1.90 wt%、油产率提高9.08 wt%。（4）进一步引入钴盐，经原位固相合成制得了煤担载的纳米CoFe2O4复合物，钴组分的引入使复合物催化剂的裂解与加氢能力增强，其表现出最佳的催化性能，可使煤接近完全转化（转化率为99.88 wt%），并且油产率达到56.25 wt%。本项目通过简便、无溶剂方法获得了具有较高活性的担载型铁基煤直接液化催化剂，显示出一定的应用潜力。项目在执行过程中，已发表学术论文17篇（其中SCI收录论文11篇、EI收录论文1篇、中文核心论文5篇），申请国家发明专利1件、授权国家发明专利1件，联合培养研究生12名（包括1名博士研究生和11名硕士研究生）。