费托反应制备航空燃料催化剂的设计

As the oil supply declines, there is a greater need for cleaner alternative fuels. There will undoubtedly be a shift from crude oil to non-petroleum sources as feedstock for aviation fuels through Fischer-Tropsch synthesis. The design of novel catalyst with high C8 to C18 hydrocarbon products selectivity is critical as the product distribution of Fischer-Tropsch synthesis is too wide. Considering the uniform channels of SBA-15, Al atoms and microporous zeolite were incorporated into the mesoporous material to design composite supports with structured mesoporsous channels and adjustable acid sites. The controllable preparation of Fishcer-Tropsch catalyst support with certain space structure, porous channels and acidity will be investigated. Then Co nanoparticles was confined within the mesoporous channels through vacuum impregnation with ultrasonic treatment, The synergistic effects of cobalt-acid composite supports, the interation of supports with active species, the relation of catalyst structure and product selectivity, the reactant and product adsorption/desorption behavior will be investigated. The Fischer-Tropsch synthesis performance will be characterized to reveal the influence of catalyst structure and acidity on C8 to C18 hydrocarbon products selectivity. This study will provide both theoretical and technological foundation for the production of aviation fuel.

随着石油资源的日益枯竭，对绿色可替代能源的需求不断增加。利用费托合成将非油资源合成航空燃料具有重要意义。费托合成的显著特征是产物分布广，因此设计新型催化剂以高活性、高选择性地获得航空燃料馏分（C8-C18）是研发的关键。本项目拟利用SBA-15载体的规整孔道结构，将具有酸性中心的铝原子和微孔分子筛引入介孔材料，设计结构规整且酸性可调的复合介孔载体，可控合成具有特定空间构型、孔结构和酸性的费托合成催化剂载体。然后利用超声波辅助真空浸渍法将钴物种限域于载体中，考察钴-酸性复合载体的协同效应及与活性物种间的相互作用、孔结构组成对产物选择性及反应物和产物吸脱附扩散行为的影响。考察催化剂费托反应的性能，揭示催化剂结构和酸性等因素对费托反应C8~C18产物选择性的影响，此研究将为获得具有高航空燃料选择性的费托合成催化剂奠定理论和技术基础。

在认真实施研究计划的基础上，团队已发表SCI论文5篇；申报了2项国家发明专利；培养博士研究生1名、硕士研究生5名。圆满完成了项目任务，取得了预期研究成果。.按照项目研究计划，以具有规整结构的多孔材料为目标，设计并制备了具有不同孔结构的催化剂载体。首先通过高温水热方法，选择Triton X-100为表面活性剂，设计并合成了具有多级孔结构的海胆状中空球形γ-AlOOH和以γ-Al2O3为主的Al2O3。氢氧化铝颗粒经沉淀和聚集、晶化和定向生长及溶解-重结晶等过程，生长为海胆状中空球形γ-AlOOH，通过调节TX-100的浓度能够改变其形貌和织构，提出来该多孔结构载体的形成机理。其次通过离子液体辅助方法，设计并制备了具有介孔孔道结构的纤维状氧化铝载体，通过粘度控制理论较好了解释了该结构材料的形成机理。考察了离子液体辅助剂的回收性能，发现采用回收利用的离子液体制备的氧化铝结构和性质没有明显变化。.本项目制备了具有不同铝含量的Al-SBA-15介孔材料作为费托合成反应催化剂载体，载体的酸性随着铝含量的增加而增加，在费托合成反应性能中有重要作用。费-托合成反应结果表明，随着铝含量的增加，催化剂的活性和航空燃料选择性先增加后减小，而异构烃的比例逐渐增加。由于载体的酸性和活性钴金属的协同作用，阻止了α-烯烃在活性位上进一步的吸附以及链增长。由于介孔孔道的限域效应，限制了了长链烃的生成，有利于提高中等馏分油产物的选择性。同时，介孔孔道提高了酸性中心的二次反应效率，从而提高了异构烃/直链烃的比例。本项目研究拓展了高航空燃料选择性的新型钴基催化剂的设计思路和方法，对于通过费托合成反应直接将合成气转化为液体燃料的研究具有重要意义。