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近年来，随着石油资源不断减少和原油价格的持续攀升，Fischer-Tropsch合成(F-T合成)因可将煤、天然气、生物质等含碳资源转化为清洁的液体燃料而倍受关注。众所周知，对于任何一个催化反应过程，催化剂的研究与开发是一个核心问题。在所有的F-T合成催化剂中，铁基催化剂因具有良好的水煤气(WGS)反应活性，廉价易得，特别适用于低氢碳比的煤基合成气而成为最具有工业价值的催化体系之一。
本论文选用Al2O3作为F-T合成铁基催化剂的结构助剂，采用电感偶合等离子体-原子发射光谱(ICP-AES)、低温N2物理吸附、X-射线衍射(XRD)、热重分析(TG)、程序升温还原(TPR)、程序升温脱附(TPD)、穆斯堡尔谱(MES)等表征手段着重研究了铁基催化剂中的金属氧化物与结构助剂Al2O3之间的相互作用、K和Cu助剂、Al2O3含量、Al2O3的加入方式和Al2O3/SiO2比对铁基催化剂催化行为的影响，旨在提高F-T合成铁基催化剂的反应性能，为铁基催化剂的工业应用提供基础支持。论文研究内容和相关结论如下：
采用共沉淀方法制备了Fe2O3和Fe/Al2O3两个模型催化剂并结合多种实验手段，研究了添加结构助剂Al2O3的铁基催化剂中金属氧化物与结构助剂之间的相互作用。H2-TPR表明Fe催化剂中加入Al2O3后表现出强的Fe-Al2O3相互作用，其稳定了FeO相，抑制了催化剂在H2气氛中的还原。TPD结果表明强的Fe-Al2O3相互作用严重削弱了催化剂的表面碱性，促进了H2的吸附，抑制了CO的吸附。在F-T合成反应过程中，Fe-Al2O3相互作用抑制了催化剂的碳化，降低了催化剂的F-T合成反应活性及WGS活性，但稳定了活性相并防止其氧化，从而提高了催化剂的反应稳定性。Fe-Al2O3相互作用对产物选择性也有明显的影响，其提高了轻质烃的选择性(CH4和C2-C4)，但降低了重质烃的选择性(C12-C18和C19+)。
采用共沉淀方法制备了Fe2O3、Fe/Cu、Fe/K和Fe/Cu/K四个催化剂，研究了Cu助剂、K助剂和Cu、K的协同效应对铁基催化剂的影响。结果表明，Cu助剂的加入促进了铁基催化剂在H2中的还原，有利于催化剂对H2的化学吸附，但抑制了对CO的解离吸附；而K助剂的添加抑制了催化剂在H2中的还原和催化剂对H2的化学吸附，但促进了CO的解离吸附。在F-T合成反应过程中，Cu助剂抑制催化剂的碳化，降低了催化剂的活性，而K助剂的加入促进了催化剂的碳化，提高了催化剂的活性；Cu、K助剂共存时，由于Cu、K的协同效应使得催化剂具有最高F-T合成反应活性。此外，Cu助剂抑制了WGS反应，导致反应器中水蒸气分压较大，加快了铁碳化合物氧化为铁氧化合物，降低了催化剂的反应稳定性；K助剂及Cu、K助剂共存时提高了催化剂的WGS反应，降低了反应器中水蒸气分压，稳定了铁碳化合物，提高了催化剂的反应稳定性。K助剂的加入使产物分布向高碳数方向偏移并提高了烯烃的选择性(C2=-C4=和C5=-C11=)，而Cu助剂抑制了链增长反应，促进了加氢反应，抑制了烯烃的生成并使得产物分步明显向轻质烃偏移。
考察了Al2O3含量对铁基催化剂还原行为、表面碱性及F-T合成反应性能的影响。N2物理吸附结果表明，添加少量的Al2O3能明显提高催化剂的比表面积，但加入大量的Al2O3能明显降低了催化剂的比表面积。H2-TPR表明Al2O3能与铁氧化合物形成强的Fe-Al2O3相互作用，随着Al2O3含量的增大，这种相互作用进一步增强，导致CuO相和铁氧化合物相分离，抑制了催化剂在H2气氛中的还原。Al2O3的添加降低了催化剂中的有效K含量，削弱了催化剂的表面碱性，抑制了催化剂的碳化，因此降低了催化剂的F-T合成反应活性及WGS活性，并使产物选择性向轻质烃方向偏移。
在催化剂制备过程中的不同阶段添加Al2O3，研究了Al2O3的加入方式对铁基催化剂的影响。结果表明，不同方式添加Al2O3均能提高催化剂的比表面，促进催化剂晶粒的分散，其中沉淀Al2O3的效果最好，其次是喷雾干燥后加入Al2O3，粘结剂Al2O3的效果最差。沉淀Al2O3的加入有利于Cu助剂的分散，促进了催化剂在H2中的还原，而其它两种方式加入的Al2O3与铁氧化合物形成强的金属与载体相互作用，导致CuO相与铁氧化合物相分离，抑制了催化剂在H2中的还原。不同方式添加Al2O3均能提高催化剂对H2的吸附，而沉淀Al2O3的加入有利于K助剂的分散，增强了K助剂的作用，提高了催化剂的表面碱性，促进了催化剂对CO的吸附，因此明显提高了催化剂的活性。采用其它两种方式加入Al2O3则严重削弱了K助剂的作用，抑制了催化剂对CO的吸附，降低了F-T合成反应活性和WGS活性。沉淀Al2O3的加入抑制了轻质烃的生成，有利于重质烃的生成，而采用其它两种方式添加Al2O3提高轻质烃的选择性，但降低了重质烃的选择性。
采用共沉淀与喷雾干燥相结合的方法制备了一系列不同Al2O3/SiO2比的铁基催化剂，着重研究了不同Al2O3/SiO2比对铁基催化剂的表面碱性、还原行为、碳化行为和F-T合成反应性能的影响。XRD和M(o)ssbauer谱表明，Al2O3/SiO2比的增加不利于催化剂的分散，导致催化剂中α-Fe2O3晶粒变大。少量Al2O3的加入削弱了Fe-SiO2相互作用，促进了催化剂的还原，提高了催化剂的活性，但Al2O3/SiO2比的进一步增加，加强了Fe-Al2O3相互作用，抑制了催化剂的还原，降低了催化剂的活性。Al2O3/SiO2比的增加削弱了催化剂的表面碱性，提高了轻质烃的选择性，抑制了重质烃和烯烃的生成。