活性炭載鈷催化劑的研究

　　由于不可再生能源的減少，探索替代能源利用途徑具有重要意義。費托合成可以將合成氣轉(zhuǎn)化為液體燃料和增值化學(xué)品。作為當(dāng)今的清潔煤技術(shù)之一，費托合成可以使用煤炭，天然氣或生物質(zhì)合成超清潔燃料。但是，由于催化劑產(chǎn)品的限制導(dǎo)致成本比較高。因此，優(yōu)化催化性能對于學(xué)術(shù)研究和工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。本次我們使用特制活性炭作為催化劑載體來優(yōu)化鈷基催化劑。

　　傳統(tǒng)的鈷催化劑一般使用金屬氧化物(Al2O3，SiO2或TiO2)作為催化劑載體。但是，鈷與上述氧化物載體之間的強相互作用力使氧化鈷難以還原成活性金屬鈷相，因此反過來會影響催化劑的活性。值得注意的是，活性炭材料相對惰性，與鈷的相互作用較弱。所以我們制備了一系列不同負載量的活性炭負載的鈷基催化劑，研究了活性炭微結(jié)構(gòu)的支撐作用和費托合成催化性能。

　　催化劑和活性炭載體的形態(tài)

　　催化劑和活性炭的SEM圖像如圖1所示。可以清楚地看到活性炭催化劑中載體表面的一些顆粒。如圖1(a1)所示，對于樣品鈷顆粒均勻分布在活性炭管表面上，粒徑在10–20nm范圍內(nèi)。可以注意到，如圖1(a2)所示，在活性炭管的表面上沒有觀察到顆粒。圖1(b1)在活性炭載鈷催化劑的表面上顯示出一些多孔和龜裂的缺陷，這可能是由于高溫煅燒過程中的燒結(jié)所致。可以注意到，如圖1(b2)所示，活性炭表面幾乎沒有孔，而活性炭催化劑表面上的金屬顆粒分布不均勻。簡而言之，SEM結(jié)果證實，活性炭載體具有更好的鈷分散性。

　　圖1：(a1)：活性炭納米管載鈷，(a2)：活性炭納米管，(b1)：活性炭載鈷催化劑，(b2)：活性炭。

　　電感耦合等離子體中的鈷含量分析

　　電感耦合等離子體用于獲得所制備催化劑的實際鈷含量。如活性炭和活性炭管的鈷含量分別為9.8%，8.5%。盡管預(yù)先規(guī)定了鈷的負載量，但在實際的制備步驟中不可避免地會損失鈷，特別是在相對惰性的碳材料上。活性炭樣品可以保留制備中的大部分鈷，在樣品中均獲得了8.5-9.8%的鈷負載量。但是，在制備過程中也損失了大部分鈷金屬，進一步證實了SEM，EDX和XRD的結(jié)果。

　　費托合成活性炭載鈷催化劑的性能

　　費托合成試驗是在210℃和2.5MPa的內(nèi)徑為12mm的不銹鋼固定床管式反應(yīng)器中進行的。將0.5g催化劑與5.0g碳化硅稀釋劑的反應(yīng)混合物裝入反應(yīng)器中。催化劑在425℃下在N2中的33vol%H2中原位還原10小時。還原后，將反應(yīng)器冷卻至180℃，并將H2/N2氣體混合物切換為合成氣(H2：CO為2∶1)。在合成氣加壓至2.5MPa然后在4小時內(nèi)重新加熱到210°C來完成反應(yīng)。活性炭載鈷催化劑，活性炭納米管載鈷催化劑的CO轉(zhuǎn)化率分別為13.1%，6.7%。產(chǎn)物選擇性的結(jié)果在圖2中給出。與活性炭管樣品相比，活性炭產(chǎn)生更高的C5+和更低的CH4選擇性，這對氣體產(chǎn)物(C1-C4)也產(chǎn)生最高的選擇性。

　　圖2：不同催化劑的產(chǎn)物選擇性。

　　活性炭載鈷催化劑的研究通過以上的分析和之前得到的實驗數(shù)據(jù)，得出的結(jié)論是Co3O4顆粒可以均勻地分散在活性炭和活性炭納米管的載體上，并表現(xiàn)出優(yōu)異的分散能力。適當(dāng)?shù)仡A(yù)處理活性炭可能是改變載體微結(jié)構(gòu)和提高催化劑催化性能的有效方法。鈷的浸漬會極大地影響活性炭的表面積和孔體積，在所有制備的催化劑中，活性炭負載的鈷催化劑表現(xiàn)出較好的分散性，高的CO轉(zhuǎn)化率和最低的氣體產(chǎn)物，但對重?zé)N(C5+)的選擇性良好。可以得出的結(jié)論是，活性炭材料對催化劑的結(jié)構(gòu)和費托合成反應(yīng)性能具有重大影響。這項研究對于擴大活性炭在費托合成領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

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