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我國合成氣直接制烯烴研究取得重大進展

2016-10-13 14:51 來源: 作者:

  從中科院獲悉,中國科學院上海高等研究院和上??萍即髮W聯(lián)合科研團隊在合成氣直接制烯烴方面取得重大進展,《自然》(Nature)雜志于10月6日發(fā)表了相關成果。通過采用全新催化劑活性位結構,該項研究實現(xiàn)了在溫和條件下合成氣高選擇性直接制備烯烴,對拓展合成氣催化轉化領域有重大意義。同時,該項研究成果具有很高的經(jīng)濟效益,將有利于促進我國煤化工的發(fā)展。

  合成氣經(jīng)費托反應路線直接制烯烴,是指CO和H2在催化劑作用下,通過費托(Fischer-Tropsch,簡稱FT)反應路線合成烯烴(也稱FTO)的過程。在FT合成反應中,一般認為先進行碳氧鍵斷裂形成碳吸附中間物種,再發(fā)生碳碳連接形成不同碳鏈長度的產(chǎn)物。針對經(jīng)典的FT機理,一般認為產(chǎn)物的鏈增長服從聚合機理,即產(chǎn)物選擇性近似遵循Amderson-Schulz-Flory(ASF)分布,不同的鏈增長因子(α)數(shù)值對應不同的產(chǎn)物分布。目前,F(xiàn)TO存在的主要問題是烯烴選擇性的提高及產(chǎn)物分布的有效控制。由于FTO是強放熱反應,過高的反應熱容易引起局部過熱,發(fā)生飛溫現(xiàn)象,促進甲烷化和積碳的發(fā)生,尤其是由于ASF分布規(guī)律以及動力學和熱力學等方面的限制,大量甲烷的生成嚴重降低了總烯烴收率。此外,由于在FT合成過程中烯烴作為一種中間產(chǎn)物,極易發(fā)生二次加氫反應轉化為飽和烷烴,從而進一步降低烯烴選擇性。鑒于合成氣直接制備烯烴路線受上述因素的制約,為了實現(xiàn)很好的FTO催化性能,設法擺脫ASF分布的限制,同時體現(xiàn)低甲烷選擇性及高烯烴選擇性,有必要開發(fā)全新的催化活性位結構。

  中科院上海高研院低碳轉化科學與工程重點實驗室(低碳轉化實驗室)主要開展含碳資源低碳轉化利用核心技術的研發(fā)。為了對發(fā)展非石油依賴型的能源化工產(chǎn)業(yè)提供技術支撐和解決方案,低碳轉化實驗室一直致力于合成氣催化轉化構效關系和反應網(wǎng)絡的研究以及催化劑的研發(fā)。最近,低碳轉化實驗室創(chuàng)造性地研發(fā)了一種全新的催化劑,發(fā)現(xiàn)在溫和的反應條件下(250 oC和1~5 atm),該催化劑可實現(xiàn)高選擇性合成氣直接制備烯烴,甲烷選擇性可低至5%,低碳烯烴選擇性可達60%,總烯烴選擇性高達80%以上,烯/烷比可高達30以上;同時,產(chǎn)物碳數(shù)呈現(xiàn)顯著的窄區(qū)間高選擇性分布,C2-15選擇性占90%以上,產(chǎn)物分布完全不服從經(jīng)典的ASF規(guī)律,體現(xiàn)出很好的FTO性能。為了確定活性位的本質,該實驗室通過深入的構效關系研究并結合DFT理論計算,確定活性位結構是暴露面為{101}和{020}的Co2C納米平行六面體。Co2C一般被視為Co基FT催化劑失活的主要原因之一,即在合成氣轉化過程中Co2C活性很低且CH4選擇性很高。本工作揭示Co2C存在顯著的晶面效應,相比于其它暴露面,{101}晶面非常有利于烯烴的生成,同時{101}和{020}晶面可有效抑制甲烷的形成。因此,暴露面為{101}和{020}的Co2C納米平行六面體呈現(xiàn)完全異于傳統(tǒng)FT活性相的催化性能,甲烷選擇性很低而烯烴選擇性很高,產(chǎn)物偏離經(jīng)典ASF規(guī)律并體現(xiàn)窄區(qū)間高選擇性分布。

  近年來,為緩解對石油資源的依賴,國內(nèi)外研究主要以非石油路線為主,即利用煤炭或天然氣資源直接或間接制備烯烴。在目前的主流工藝中,首先以煤或天然氣制備合成氣(主要成分是一氧化碳和氫氣,即CO和H2),然后由合成氣轉化制得的甲醇,最終通過甲醇轉化路線(包括甲醇制乙烯、丙烯的MTO工藝和甲醇制丙烯的MTP工藝)生產(chǎn)烯烴產(chǎn)品。該技術涉及兩大步驟,即合成氣經(jīng)銅基催化劑合成甲醇,甲醇經(jīng)分子篩催化劑轉化為烯烴。無疑,如能減少反應步驟,將合成氣直接高選擇性合成烯烴,將體現(xiàn)出流程更短、能耗更低的優(yōu)勢。

  目前,中科院上海高研院已與合作單位山西潞安集團等企業(yè)達成協(xié)議,擬在催化劑放大制備、反應器設計及工藝過程開發(fā)等方面共同合作,力爭盡快實現(xiàn)工業(yè)示范和產(chǎn)業(yè)化,促進我國煤化工的發(fā)展。

  上海大學、華東師范大學、中科院物理研究所和化學研究所參與了部分工作。此項研究工作得到了自然科學基金委、科學技術部、上海市科委、山西潞安集團和中科院的大力支持。

作者:佚名 來源:中國石油新聞中心

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