活性炭載鈷催化劑的研究

　　由于不可再生能源的減少，探索替代能源利用途徑具有重要意義。費(fèi)托合成可以將合成氣轉(zhuǎn)化為液體燃料和增值化學(xué)品。作為當(dāng)今的清潔煤技術(shù)之一，費(fèi)托合成可以使用煤炭，天然氣或生物質(zhì)合成超清潔燃料。但是，由于催化劑產(chǎn)品的限制導(dǎo)致成本比較高。因此，優(yōu)化催化性能對(duì)于學(xué)術(shù)研究和工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。本次我們使用特制活性炭作為催化劑載體來優(yōu)化鈷基催化劑。

　　傳統(tǒng)的鈷催化劑一般使用金屬氧化物(Al2O3，SiO2或TiO2)作為催化劑載體。但是，鈷與上述氧化物載體之間的強(qiáng)相互作用力使氧化鈷難以還原成活性金屬鈷相，因此反過來會(huì)影響催化劑的活性。值得注意的是，活性炭材料相對(duì)惰性，與鈷的相互作用較弱。所以我們制備了一系列不同負(fù)載量的活性炭負(fù)載的鈷基催化劑，研究了活性炭微結(jié)構(gòu)的支撐作用和費(fèi)托合成催化性能。

　　催化劑和活性炭載體的形態(tài)

　　催化劑和活性炭的SEM圖像如圖1所示。可以清楚地看到活性炭催化劑中載體表面的一些顆粒。如圖1(a1)所示，對(duì)于樣品鈷顆粒均勻分布在活性炭管表面上，粒徑在10–20nm范圍內(nèi)。可以注意到，如圖1(a2)所示，在活性炭管的表面上沒有觀察到顆粒。圖1(b1)在活性炭載鈷催化劑的表面上顯示出一些多孔和龜裂的缺陷，這可能是由于高溫煅燒過程中的燒結(jié)所致。可以注意到，如圖1(b2)所示，活性炭表面幾乎沒有孔，而活性炭催化劑表面上的金屬顆粒分布不均勻。簡(jiǎn)而言之，SEM結(jié)果證實(shí)，活性炭載體具有更好的鈷分散性。

　　圖1：(a1)：活性炭納米管載鈷，(a2)：活性炭納米管，(b1)：活性炭載鈷催化劑，(b2)：活性炭。

　　電感耦合等離子體中的鈷含量分析

　　電感耦合等離子體用于獲得所制備催化劑的實(shí)際鈷含量。如活性炭和活性炭管的鈷含量分別為9.8%，8.5%。盡管預(yù)先規(guī)定了鈷的負(fù)載量，但在實(shí)際的制備步驟中不可避免地會(huì)損失鈷，特別是在相對(duì)惰性的碳材料上。活性炭樣品可以保留制備中的大部分鈷，在樣品中均獲得了8.5-9.8%的鈷負(fù)載量。但是，在制備過程中也損失了大部分鈷金屬，進(jìn)一步證實(shí)了SEM，EDX和XRD的結(jié)果。

　　費(fèi)托合成活性炭載鈷催化劑的性能

　　費(fèi)托合成試驗(yàn)是在210℃和2.5MPa的內(nèi)徑為12mm的不銹鋼固定床管式反應(yīng)器中進(jìn)行的。將0.5g催化劑與5.0g碳化硅稀釋劑的反應(yīng)混合物裝入反應(yīng)器中。催化劑在425℃下在N2中的33vol%H2中原位還原10小時(shí)。還原后，將反應(yīng)器冷卻至180℃，并將H2/N2氣體混合物切換為合成氣(H2：CO為2∶1)。在合成氣加壓至2.5MPa然后在4小時(shí)內(nèi)重新加熱到210°C來完成反應(yīng)。活性炭載鈷催化劑，活性炭納米管載鈷催化劑的CO轉(zhuǎn)化率分別為13.1%，6.7%。產(chǎn)物選擇性的結(jié)果在圖2中給出。與活性炭管樣品相比，活性炭產(chǎn)生更高的C5+和更低的CH4選擇性，這對(duì)氣體產(chǎn)物(C1-C4)也產(chǎn)生最高的選擇性。

　　圖2：不同催化劑的產(chǎn)物選擇性。

　　活性炭載鈷催化劑的研究通過以上的分析和之前得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出的結(jié)論是Co3O4顆粒可以均勻地分散在活性炭和活性炭納米管的載體上，并表現(xiàn)出優(yōu)異的分散能力。適當(dāng)?shù)仡A(yù)處理活性炭可能是改變載體微結(jié)構(gòu)和提高催化劑催化性能的有效方法。鈷的浸漬會(huì)極大地影響活性炭的表面積和孔體積，在所有制備的催化劑中，活性炭負(fù)載的鈷催化劑表現(xiàn)出較好的分散性，高的CO轉(zhuǎn)化率和最低的氣體產(chǎn)物，但對(duì)重?zé)N(C5+)的選擇性良好。可以得出的結(jié)論是，活性炭材料對(duì)催化劑的結(jié)構(gòu)和費(fèi)托合成反應(yīng)性能具有重大影響。這項(xiàng)研究對(duì)于擴(kuò)大活性炭在費(fèi)托合成領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

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