催化学报 ›› 2018, Vol. 39 ›› Issue (12): 1971-1979.DOI: 10.1016/S1872-2067(18)63158-4

• 论文 • 上一篇    

氮掺杂石墨化炭包覆的铁基催化剂的制备及其费托合成反应性能

唐磊, 董晓玲, 徐薇, 贺雷, 陆安慧   

  1. 大连理工大学精细化工国家重点实验室, 化工学院, 辽宁大连 116024
  • 收稿日期:2018-07-30 修回日期:2018-08-16 出版日期:2018-12-18 发布日期:2018-09-26
  • 通讯作者: 陆安慧
  • 基金资助:

    国家自然科学基金(21733002,21506077);长江学者奖励计划(T2015036).

Iron-based catalysts encapsulated by nitrogen-doped graphitic carbon for selective synthesis of liquid fuels through the Fischer-Tropsch process

Lei Tang, Xiao-Ling Dong, Wei Xu, Lei He, An-Hui Lu   

  1. State Key Laboratory of Fine Chemicals, School of Chemical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China
  • Received:2018-07-30 Revised:2018-08-16 Online:2018-12-18 Published:2018-09-26
  • Contact: 10.1016/S1872-2067(18)63158-4
  • Supported by:

    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21733002, 21506077), and the Cheung Kong Scholars Program of China (T2015036).

摘要:

由合成气经费托合成(FTS)直接制取液态燃油如汽油(C5-C11)或柴油(C10-C20),对缓解全球能源危机具有重要意义.但是,费托合成产物大多服从Anderson-Schulz-Flory(ASF)分布,C5-C11烃类选择性最大为45%.因此,高选择性地合成C5-C11烃仍具有挑战性.铁基催化剂价格低廉且能够在较宽温度区间内保持高活性,其中χ-Fe5C2纳米粒子催化剂表现出高活性及高C5-C11选择性.理论计算表明,Fe5C2中高米勒指数晶面如(510)晶面更易暴露,且C-C偶联反应更易发生在该晶面上.但纯相Fe5C2的制备流程复杂,操作条件苛刻,成本较高.此外,在反应过程中,因高温、高压及氧化性产物(如H2O或CO2等)的影响,Fe5C2易发生相转变,导致多物相共存.因此,制备在反应过程中能够保持高Fe5C2含量的催化剂意义重大.石墨化炭材料如石墨烯、碳纳米管等,因其具有大π电子结构和高电子密度,作为载体能够促进铁粒子的还原;氮掺杂石墨化炭能够进一步改善电子结构,增强载体与铁物种间的电子传导,进而促进氧化铁粒子的还原及后续碳化形成Fe5C2.大量研究表明,包覆结构具有独特的限域效应,能够促进碳化铁物相的生成和稳定存在.结合氮掺杂石墨化炭的电子效应和包覆结构的限域效应,有望得到高含量Fe5C2催化剂,实现高C5-C11选择性.因此,本文通过谷氨酸与Fe物种的配位作用,合成Fe高度分散的配合物,并热解得到氮掺杂石墨化炭包覆铁基催化剂(FeC-x,x为热解温度(℃)),通过改变热解温度调变炭层结构,并考察了其对催化剂费托性能的影响.
在不同热解温度下制备的催化剂的费托合成反应结果表明,FeC-800催化活性高达239.4μmolCO gFe-1 s-1,分别是FeC-700的2倍和FeC-900的20倍.而且,FeC-800的C5-C11烃类选择性为49%,高于大多数报道的Fe/C催化剂.FeC-900则表现出较低的C5-C11烃类选择性.TG表征发现,热解温度升高,炭层石墨化过程中有损失,导致实际铁负载量增高.XRD和Raman结果表明,炭层石墨化程度随热解温度升高而增加.N2吸附-脱附等温线表明催化剂存在介孔,有利于反应物及产物的扩散.TEM观察到铁纳米粒子被包覆在石墨化炭结构中.XPS测试结果显示,催化剂表面可探测到的元素为C,O,N和Fe.其中表面Fe的含量远低于实际负载量,说明铁纳米粒子大多存在于包覆炭层之内.通过对比反应60 h前后样品的TEM结果发现,催化剂铁纳米粒子尺寸无明显增加,说明炭层对铁纳米粒子具有限域作用.炭层的包覆可能对产物选择性造成影响:一方面,炭层能够抑制烯烃的扩散,促进二次反应,从而促进长链烃的生成;另一方面,炭层的空间效应也会抑制更长链烃(如C12+)的生成.因此,FeC-800表现出高C5-C11选择性.通过N 1s谱图可以发现,石墨化氮、吡啶氮及吡咯氮是主要的表面氮物种,说明N被成功掺杂进石墨化炭结构中.且随热解温度增加,石墨化氮含量增加.通过H2-TPR及还原后XRD结果发现,FeC-700与FeC-800具有较低的还原温度,易被H2还原为单质Fe,这有利于在反应过程中转变为活性相Fe5C2.CO-TPD结果显示,CO吸附强度随样品热解温度升高而显著增加.热解温度的提高促进了炭层的石墨化度,强化了炭层与Fe之间的电子转移,进而增强了Fe与CO间的相互作用,促进了H2还原后生成的单质Fe碳化为Fe5C2,并且Fe5C2在反应过程中不易被氧化.高含量的Fe5C2和适宜的CO吸附强度使FeC-800催化剂表现出高催化活性及高C5-C11选择性.

关键词: 氮掺杂, 石墨化炭, 包裹结构, 铁基催化剂, 费托合成

Abstract:

Fischer-Tropsch synthesis (FTS) has the potential to be a powerful strategy for producing liquid fuels from syngas if highly selective catalysts can be developed. Herein, a series of iron nanoparticle catalysts encapsulated by nitrogen-doped graphitic carbon were prepared by a one-step pyrolysis of a ferric L-glutamic acid complex. The FeC-800 catalyst pyrolyzed at 800℃ showed excellent catalytic activity (239.4 μmolCO gFe-1 s-1), high C5-C11 selectivity (49%), and good stability in FTS. The high dispersion of ferric species combined with a well-encapsulated structure can effectively inhibit the migration of iron nanoparticles during the reaction process, which is beneficial for high activity and good stability. The nitrogen-doped graphitic carbon shell can act as an electron donor to the iron particles, thus promoting CO activation and expediting the formation of Fe5C2, which is the key factor for obtaining high C5-C11 selectivity.

Key words: Nitrogen doping, Graphitic carbon, Encapsulation, Iron-based catalyst, Fischer-Tropsch synthesis