费托合成汽油燃料Fe2O3@SiO2@MnO2@HZSM-5多功能催化剂的制备及构效关系研究

Fischer-Tropsch synthesis (FTS) is an available way to synthesis gasoline fuel from non-petroleum resources to deal with the energy crisis, and the key technology is the catalysts. This project focus on conversion of the biomass syngas into C5-C11 hydrocarbons (gasoline fuel). Design of novel Fe2O3@SiO2@MnO2@HZSM-5 multifunctional catalysts with Fe2O3@SiO2@MnO2 as core and HZSM-5 as shell to synthesis of C5-C11 hydrocarbons with high selectivity through coupling of FTS and hydrocracking of long chain hydrocarbons. This project will carry out the following work: (1) design of Fe2O3@SiO2 core-shell catalysts system, and that can be used to conversion of syngas into C5+ hydrocarbons; (2) design of Fe2O3@SiO2@MnO2 catalysts system for synthesis of C5+ hydrocarbons hydrocarbons via synergistic effect of the core-shell structure; (3) design of Fe2O3@SiO2@MnO2@HZSM-5 multifunctional catalysts system for synthesis of gasoline fuel via hydrocracking of long chain hydrocarbons that can obtain from FTS. The key scientific research on the structure-activity relationship of core-shell to the mechanism of product seletivities is carried out. This will provide a promising route for design of novel and efficient catalysts for FTS.

通过费托技术从非石油资源中获取汽油燃料是解决能源短缺问题的一条可行路径，该技术的关键是催化剂。本项目围绕生物质合成气（CO+H2）高效转化为C5-C11烃类（汽油燃料），提出并构建新型Fe2O3@SiO2@MnO2为核、HZSM-5为壳的Fe2O3@SiO2@MnO2@HZSM-5多功能催化体系，以期通过一步耦合费托合成和长链烃裂解，实现汽油燃料的高选择性合成。主要研究：(1)构建Fe2O3@SiO2核壳催化体系，实现C5+烃类的高选择性合成；(2)构建壳层厚度可控的Fe2O3@SiO2@MnO2双壳催化体系，通过核壳结构的协同促进作用实现C5+烃类的高效合成；(3)构建Fe2O3@SiO2@MnO2@HZSM-5多功能催化体系，通过分子筛剪切费托合成的长链烃实现汽油燃料的高选择性合成，开展核壳结构的构效关系对产物选择性调控机制的关键科学问题研究，为新型高效催化剂的设计制备提供理论依据。

通过费托技术从非石油资源中获取汽油燃料是解决能源短缺问题的一条可行路径，该技术的关键是催化剂。本项目采用一步法分别制备了碟形、笼形、多面体、正方形、纺锤形五种形貌的催化剂，研究发现纺锤形催化剂呈现出最高的FTY值(25 μmolCOgFe-1s-1)和最佳的C5+收率(1.76×10-3 gHCgFe-1s-1)；在此基础上，采用Söber法对其进行20nm (1.0SiO2)、48nm (2.0SiO2)、66nm (1.5SiO2)三种不同SiO2壳层厚度的包覆，研究发现SiO2的引入可促进加氢和链增长反应的进行，随着SiO2壳层的增加C5+收率呈现增加的趋势，具有66 nm壳层的1.5SiO2呈现出最大的FTY值(31.5 μmolCOgFe-1s-1)和最高的C5+收率(2.23×10-3 gHCgFe-1s-1)；采用水热法对1.5SiO2进行MnO2包覆，研究不同锰含量的0.3Mn和0.5Mn对催化性能的影响，发现锰的引入能够促进反应朝着β-氢抽离生成烯烃的方向和链增长反应方向进行，0.5Mn催化剂具有最佳的C5+收率(2.39×10-3 gHCgFe-1s-1)；为了研究酸性中心的协同效应对产物的调控机理，制备了不同Si/Al含量的HZSM-5催化剂，并探讨了Si/Al比和分子筛引入量对费托性能的影响，研究中探讨了Si/Al比为26和18的ZSM-5和催化剂含量为50wt%和62.5 wt%对费托性能的影响，研究发现分子筛的引入为烃类提供了异构化反应位点和扩散空间，提高了催化剂表面-CH2-的浓度，促进了链增长，Si/Al比为18催化剂含量为50wt%的分子筛-18-1呈现出较好C5+收率(3.74×10-3 gHCgFe-1s-1)。开展核壳结构构效关系对产物选择性的调控机制研究，为新型高效催化剂的设计制备提供了理论依据。