物理溅射法制备的新型双功能催化剂：用于异构烷烃的一步合成

我国经济高速发展，但是所需石油严重依赖进口。本项目拟利用物理溅射技术，将费托合成活性组分Co和Fe等金属担载于酸性分子筛载体上，形成"费托合成中心―酸中心"耦合的双功能催化剂，用于合成气一步高选择性的制取汽油馏分异构烷烃，该产品不含有易致癌的芳烃和造成环境污染的硫和氮等杂质，社会效益显著。本项目将详细考察该催化剂的最佳组成、制备条件、反应条件以及失活和再生条件；并将催化剂的结构和物理化学性质（如金属颗粒的粒径分布、尺寸、分散度和还原度；分子筛的骨架结构、孔径尺寸以及酸性质等）与其催化性能相关联，阐明费托合成中心与分子筛酸中心之间的协同机制。通过对催化剂的原位光谱学表征，考察反应物、中间产物以及最终产物在催化剂上的吸附/脱附行为和变化，提出相关催化反应机理与模型。本项目的成功实施，将缓解我国对进口石油的依赖程度，提升我国在新能源领域的科研水平，对我国能源可持续发展战略也将起到重要的促进作用。

随着现代社会的飞速发展，能源供求矛盾日益突出。当前，以煤炭、天然气、生物质和生活垃圾等生产合成气的技术日臻成熟，使合成气直接制取液体燃料迅速成为研究热点，其中通过费托合成直接制取合成柴油（长直链烷烃）和汽油（异构烷烃）方面的研究尤受关注。理论上，可以将费托合成催化剂与酸性分子筛组装和集成在一起，形成“费托合成中心－酸中心”耦合的双功能催化剂，从而将费托合成与加氢裂解和异构化反应耦合起来制取异构烷烃。.本项目采取物理溅射方法将Co、Ru等纳米金属粒子直接担载于酸性分子筛表面，制备出费托合成反应中心和酸性中心耦合的双功能催化剂。研究结果显示，物理溅射法可使纳米金属催化剂均匀的分布在分子筛载体表面，具有金属颗粒粒径小，分布窗口窄、分散度高和易还原的优点，从而增加了费托合成反应的有效活性中心位数目；金属粒子是依靠物理作用锚定在载体的表面上，比其他制备方法制得催化剂具有弱得多的“金属－载体相互作用”，大幅度提高了金属催化剂的还原度。活性测试结果表明，金属分散度的提高将促进金属催化剂与分子筛酸性活性位的匹配，使得在纳米金属活性位生长的长直链烷烃能够很容易的转移到邻近的分子筛酸性位进行裂解和异构化，从而高选择性的获得异构烷烃产品。物理溅射法制备催化剂比浸渍法催化剂均具有高的转化率、异构烷烃选择性和较低的甲烷选择性，这与前者金属粒子高度分散于催化剂表面，且易于被还原有关。其中，物理溅射法制备样品中C5～C11产物选择性大于67%，打破了ASF定律限定的45%。反应前后的扫描电镜结果显示：反应后的浸渍法制备催化剂上存在大量胶状的石蜡，包覆在催化剂颗粒上；而物理溅射法制备催化剂的微观形貌在反应前后无明显变化。热重实验也取得了相似的结果，这解释了物理溅射法制备样品具有高催化活性和长寿命的本质原因。.我国经济高速发展，但是所需石油严重依赖进口。本项目的成功实施，将缓解我国对进口石油的依赖程度，加快我国清洁液体燃料合成技术的发展，并提升我国在新能源开发领域的研究水平。此外，物理溅射技术已经非常成熟，但还没有广泛应用于工业催化剂的制备，该方法制取的催化剂具有活性组分粒度可控、主要分布于载体的外表面、活性中心利用率高、与载体作用力弱、易于还原等特点，针对一些特定化工反应过程具有广阔的应用前景。