费托合成Fe/SiO2催化剂表界面催化作用研究

Fischer-Tropsch synthesis (FTS) can cleanly and effectively convert coal into liquid fuels and chemicals. It is of important significance for alleviating energy crisis and solving the enviromental pollution. An effective and stable catalyst is the core of FTS process. SiO2 is an important promoter to improve the activity, selectivity and stability of iron FTS catalysts. However, the role of SiO2 in iron catalysts were not well investigated. This project is planned to investigate Fe/SiO2 catalyst in FTS reaction, and precisely design and control the interface between SiO2 and divalent cations M (Fe, Mn and Sr). With the aid of catalyst characterization, surface science instruments and DFT theoretical calculation, we plan to study the atomic and electonic structures of this interface (M-O-Si), to study the effect of the interface on the structure, the transformation, the morphology and the crystal orientation of active phases, to study the influence of the interface on the CO and H2 activation, the C-C coupling and the carbon hydrogenation and also to study the aggregation, the carburization and the migration of iron particles on the interface. It is expected to disclose the mechanism of M silicates in FTS reaction and to provide the fundimental knowledges for the research and development of effective FTS catalysts.

费托合成可将煤炭清洁、高效的转化为液体燃料和化学品，对解决能源安全和环境污染具有重要意义。高效、稳定催化剂的开发是该过程的关键因素。SiO2是改善费托合成铁催化剂性能的重要助剂。但人们对SiO2作用机理认识不深入，特别是SiO2在调控选择性方面的作用，几乎没有研究。本项目以费托合成Fe/SiO2催化剂为研究对象，借助实验表征、表面科学和理论计算研究二价金属阳离子M（Fe、Mn、Sr）与SiO2之间的相互作用；精确调控M-O-Si表界面结构，研究其原子结构和电子状态；制备Fe/M-Silicate模型催化剂，研究其晶相结构、晶相转变和晶面取向，揭示M-O-Si表界面作用的内在机理；研究其对CO、H2活化和表面C物种重构的影响；研究催化剂中Fe纳米粒子的团聚、渗碳和迁移；掌握调控费托合成产物选择性的内在规律，探索提高催化剂稳定性的核心因素。

费托合成可将煤炭清洁、高效的转化为液体燃料和化学品，对解决能源安全和环境污染具有重要意义。高效、稳定催化剂的开发是该过程的关键因素。SiO2是改善费托合成铁催化剂性能的重要助剂。但人们对SiO2作用机理认识不深入，特别是SiO2在调控选择性方面的作用，几乎没有研究。本项目以费托合成Fe/SiO2催化剂为研究对象，采用溶胶凝胶法制备了具有完整结构的二价金属硅酸盐，考察了溶胶-凝胶合成技术参数和热处理条件，实现了M-Silicate晶相结构的精确、可控合成；采用油酸铁热解法制备均一结构铁纳米粒子，探索热解条件，获得3 nm、5 nm、8 nm、10 nm等不同尺寸的γ-Fe2O3纳米粒子；采用双配体离子分级作用制备了不同形貌的Fe2O3纳米粒子；采用浸渍方法将Fe纳米粒子负载于M-Silicate微晶，制备Fe/M-Silicate模型催化剂。实现了Fe/M-Silicate表界面结构的精准、可控合成；通过多种手段研究了铁纳米粒子、M-Silicate微晶和Fe/M-Silicate模型催化剂的晶相结构、电子性质、物相转变，研究了研究CO、H2在催化剂表面的吸附行为和费托合成反应性能，掌握了费托合成铁基催化剂最佳活性相调控技术。这些研究结果为费托合成铁基催化剂的可控制备、活性相调变和选择性调控奠定了坚实的实验与理论基础，帮助解决了“百万吨级”煤炭间接液化项目中核心催化剂的生产过程中遇到的诸多问题，保障了“百万吨级”大型煤制油项目的顺利投产和最终实现满负荷运转，对新一代高效费托合成铁基催化剂的研发具有重要的科学指导意义。项目部分研究成果获得2016年山西省科学技术奖励自然科学类一等奖和2017年中国颗粒学会自然科学奖二等奖。本项目发表研究论文22篇（基金标注），申请专利6项，培养研究生5名。