纳米阵列结构催化剂的费托合成反应特性

Fischer-Tropsch synthesis is a complex gas-liquid-solid multiphase reaction, and both external transfer and intraparticle diffusion deteriorate the intrinic reactivity greatly. The metallic monolith support coating with conventional catalytic layer has been applied into Fischer-Tropsch synthesis in order to overcome the diffusion limitation. Nevertheless, it remain as a problem with regards to tortuosity factor,uncontrollable crystal facet and weak adherance between the metal substrate and washcoat. It is proposed that to carry out Fisher-Tropsch reaction in nanoarray structure, and investigate the effect of pore hierarchy, array orientation on Fischer-Tropsch performance, thus elucidating the particlular kinetic and transport phenomena of multiphase reaction in nanoarray structure. It is planned to grow transition oxide with array structure on the surface of metal substrate by methodology of hydrothemal treatment. So prepared composite material is expected to excel with aspects to large external surface, low diffusion resistance, and stronger adhesion of catalytic layer on substrate as well. The tranport phenomena is decoupled from reaction kinetics, and the relationship is described with mathematical model. In addition, the hydrothermal treatment afford a way to yield oriental crystallite and to expose favorable crystal facet in Fischer-Tropsch synthesis.

费托合成是一个复杂的气-液-固三相反应，与固体催化剂相关的内、外扩散效应均会使本征反应行为发生严重的劣化。将传统催化剂涂敷于规整材料上，应用于费托合成以规避扩散限制，一直是多相催化领域的研究热点，但存在催化层的曲折因子大、晶面不能调控、活性层-基体之间结合强度低等问题。本申请首次将纳米阵列结构应用于费托合成反应，探索有序、开放的孔道和特定取向晶面对其活性、选择性的影响，揭示纳米阵列结构中三相反应独特的反应-扩散规律。拟采用水热生长法，在规整金属基体上直接生长过渡金属氧化物活性层，获得牢固附着在基体上的纳米阵列结构，使催化剂具有微观有序、宏观规整的特点，从而提高其传递速率。建立宏观-微观多尺度模型，模拟并实验验证纳米阵列结构催化剂上的动力学行为与传递现象。同时，借助水热法良好的晶面控制，获得不同暴露晶面的活性相，以调控费托合成反应的选择性和活性。

纳米材料的形貌、结构、尺寸以及所暴露的晶面对其催化性能有重要影响。晶面取向及表面结构很大程度上影响着产物的选择性和催化活性。金属钴是费托合成反应的活性相；而铁基催化剂在费托合成过程中容易碳化生成碳化铁。因此与催化剂晶面性质有关的表面结构和表面活性位点一定程度上决定了产物的选择性和催化活性。所以如果能通过传统的化学方法制备暴露特定晶面的催化剂对于研究费托反应机理具有重要意义。采用水热生长法，在金属基体上直接生长出氢氧化钴和氢氧化铁涂层，经过焙烧和还原后获得牢固附着于基体上的CoFe纳米阵列结构。调控水热法条件，可使CoFe纳米晶具有不同的形貌，暴露主要晶面也不相同。不同形貌阵列涂层的费托合成反应性能表明，（110）晶面占比高是相应催化剂具有高费托合成活性的原因。通过脉冲吹扫试验，考察了液相存在对费托反应传递行为的影响.