合成气催化转化直接制芳烃研究

Abstract: The conversion of syngas to aromatics and other important bulky chemicals is of great importance in the optimization and utilization of carbon resources. In this project the research will be mainly focused on the development of novel catalytic systems for the direct conversion of syngas to aromatics. Based on the recently reported dual-function catalyst OX-ZEO which combines oxide and zeolite, systematic study will be carried out in order to investigate the relationship between the catalytic selectivity, activity, stability, reaction intermediates and various factors, such as the structure of active sites, acidity, porosities. A number of techniques, such as high resolution XRD, HREELS, NMR and theoretical simulation, will be used. The research work is expected to provide new information on the design of catalysts for the direct conversion of syngas to aromatics.

合成气催化转化制取芳烃等大宗基础化学品对于面向未来的碳资源优化利用具有重大意义，本项目旨在发展和构建合成气直接转化制芳烃的多功能催化新体系。以探索和开发合成气直接芳构化的新工艺为目标，系统研究近年发展起来的由缺陷氧化物与分子筛复合的OX-ZEO双功能复合催化材料的活性和选择性变化规律；深入认识催化剂表面多活性中心微/纳尺度上的协同/集成以及催化体系中酸/碱活性位分布状态和分子筛孔道限域作用与合成气的活化、选择性转化及直接制芳烃的活性、选择性和稳定性的关系，筛选和创制高性能催化体系；建立具有代表性的以OX-ZEO为平台的合成气直接芳构化的双功能催化体系，明确相关反应体系的催化活性和选择转化作用机理，拓展催化剂设计理念，发现和创制合成气增值利用的高效催化体系，为发展相应催化新技术提供理论指导和科学基础。

我们建立了合成气高效转化制芳烃的CeZrOx+ZSM-5催化剂新体系。发现铈锆固溶体与分子筛紧密接触时，利于芳烃生成；ZSM-5内表面引入Lewis酸，可强化烯烃中间产物的吸附及芳构化，减少外表面强酸密度，可抑制芳烃烷基化等副反应；在450C、3.6 MPa、H/CO = 1和空速为600 ml g-1 h-1条件下，反应时间10 h，在优化的Ce0.2Zr0.8Ox/Cu-ZSM-5-Si催化剂上实现41%的CO转化率和72%的芳烃选择性，轻质芳烃（C6-9）在总芳烃中含量超过60%。通过对ZSM-5上的反应过程解耦，以C8芳烃烷基化活性（SC9+）和芳构化活性（A）为基础，提出了芳环取代指数（SC9+/A），发现SC9+/A与ZSM-5的b轴尺寸倒数线性相关，以此可实现芳烃分布的调控。发展了SSW-Cat方法用于自动搜索表面反应网络和神经网络势函数高效并行算法。利用OX-ZEO双功能催化体系，发展了苯-合成气一步烷基化高选择性制备甲苯的合成方法。