铜铈锆催化剂在二氧化碳加氢合成甲醇反应中的催化性能与反应机理的研究

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二氧化碳(CO2)加氢转化为燃料甲醇(CH3OH)是一种非常具有潜力的研究方向,不仅可以解决CO2过量排放问题,还可以减少化石资源的消耗。传统CuO-ZnO-Al2O3催化剂能够在高温((?)300℃)、高压((?)5 MPa)下催化CO2加氢合成甲醇,但存在CO2活化能力较弱、甲醇选择性偏低、氧化物表面负载的铜物种稳定性较差等问题,因此开发高效、稳定的新型铜基催化剂成为了目前国内外研究的热点。铈锆固溶体具有丰富的酸碱性位点、良好的稳定性、优异的氧化还原性、可与活性组分形成强相互作用。因此本论文以铈锆固溶体为载体,合成铜铈锆催化剂,通过调控载体内在特性和铜物种的配位环境、表面结构来提高CO2加氢生成甲醇性能。系统考察铜铈锆催化剂合成方法对催化剂结构及性能的影响;重点研究铜铈锆催化剂上铜物种种类、载体性质对CO2加氢合成甲醇反应性能影响;利用原位高压红外技术探究CO2加氢合成甲醇反应路径,加深铜铈锆催化剂对CO2加氢还原形成甲醇机理的认识。具体研究结果如下:(1)采用不同合成方法(尿素水热合成法、Na2CO3共沉淀法、草酸凝胶法)制备铜铈锆催化剂,考察合成方法对催化剂结构及其催化CO2加氢合成甲醇性能的影响。研究结果显示,草酸凝胶法利于铜物种的分散和还原以及铈锆表面羟基的生成,有效提高了催化剂对H2和CO2的吸附能力,表现出最佳的CO2加氢生成甲醇的催化性能。草酸凝胶法制备的铜铈锆催化剂在反应温度200-300℃下,CO2转化率为5.4%-15.6%,甲醇选择性为97.8%-40.6%,且连续运行90 h催化剂性能依然保持不变。(2)采用草酸凝胶法合成铜铈锆催化剂,研究铜含量及煅烧温度对铈锆上铜物种的结构、性质和催化性能的影响。研究结果显示,铜铈锆催化剂上存在表面铜物种和掺杂到铈锆中的铜物种(Cu-Ce-Zr固溶体)。调控铜含量和煅烧温度(Tcalc)均可有效调控表面铜物种的分散度、颗粒尺寸和Cu-Ce-Zr固溶体含量,优化得到的条件为Tcalc=450℃和铜含量为35 wt%。据此制备的催化剂在P=3 MPa,GHSV=10000 h-1,T=280℃反应条件下实现CO2转化率(XCO2)达到13.2%和甲醇选择性(SCH3OH)为71.8%。其催化性能明显高于传统CuO-ZnO-Al2O3催化剂(XCO2=9.8%,SCH3OH=40.2%)。该催化剂的活化能、转化频率(TOF,即在单位时间(s)、单个表面积Cu0-活性位上CO2加氢转化的分子数)分别为 Ea=28.5 kJ mol-1,TOFCO2=13.4×10-2s-1。(3)合成不同载体(CeO2、ZrO2、Ce1-xZrxO2)负载的铜催化剂,考察载体对CO2和H2吸附和活化性能的影响。研究结果显示,CuO/CeO2含有更多氧空位,加氢后形成HCOO*中间物种,有利于甲醇的生成。而CuO/ZrO2催化剂表面的羟基浓度更高,加氢后形成*OOH中间物种,易分解生成CO。在280℃温度下,CuO/CeO2和CuO/ZrO2对甲醇选择性分别为73.5%和31.1%,CO选择性分别为17.4%和65.4%。CuO/Ce1-xZrxO2催化剂上的CO2和H2吸附及中间物种转化能力与Zr/Ce 比例有关。Ce1-xZrxO2(x=0.2,0.4,0.6,0.8)负载的铜基催化剂相对单氧化物负载的铜基催化剂,表面形成的中间物种种类和浓度都明显增加,其中x=0.6催化剂上甲醇收率(T=280℃)分别是CuO/CeO2和CuO/ZrO2的1.3倍及2.5倍。研究同时发现,富锆催化剂CuO/Ce1-xZrxO2(x=0.6和0.8)具有更高铜分散度及更丰富氧空位,显著提高了 H2和CO2吸附能力,中间物种易加氢转化生成甲醇。富铈催化剂CuO/Ce1-xZrxO2(x=0.2和0.4)反应初期中间物种易积累,但难加氢转化。富锆(x=0.6和0.8)催化剂的CH3OH收率(6.41%-9.47%)明显高于富铈(x=0.2和0.4)催化剂(2.26%-4.14%)。(4)利用原位高压漫反射红外技术,研究铜铈锆催化剂上CO2加氢合成甲醇的反应活性位点和反应路径。研究结果显示,铜铈锆催化剂上CO2加氢合成甲醇为双活性位点反应机制,遵循甲酸盐路径。还原后表面铜物种是H2吸附解离的活性中心,铈锆固溶体载体是CO2吸附和活化的活性中心。Cu2+进入到铈锆晶格中形成Cu-Ce-Zr固溶体,促进载体上氧空位生成,提高CO2的吸附能力。m-HCOO*与bi-HCOO*均是CO2加氢生成CH3OH的中间物种。可能的反应路径为 m-HCOO*→b-*OCH3→CH3OH 和 bi-HCOO*→t-*OCH3→CH3OH。m-HCOO*需历经积累和消耗两个过程,其中m-HCOO*积累过程较为缓慢。
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