费托合成提供了由非石油路线获取高附加值基础化学品的有效途径,随着后石油时代的临近,其重要性日显突出、重要的战略意义也不言而喻。其中,费托合成制低碳烯烃(C2=-C4=)的瓶颈问题是产物遵从ASF分布、C2=-C4=选择性不够高。要解决这一问题,有必要研发新型铁基催化剂。结合当今费托合成研究领域的现状、动态及存在问题,本论文利用我们实验室自主开发的氮掺杂碳纳米材料为载体构建了新型费托合成制低碳烯烃催化剂,在自建的微型固定床反应器上评价了其催化性能,建立了相应的评价方法,深入探讨了氮掺杂碳纳米管(NCNTs)载体对其负载的铁基费托合成催化剂性能的影响,揭示其作用机制,并将在NCNTs中对氮掺杂作用的认识拓展到氮掺杂碳纳米笼(NCNCs)体系。初步探讨了所得催化剂的催化性能及其与催化剂结构的关系。主要进展包括：1.以NCNTs为载体,利用氮的锚定作用,无需对载体做任何表面预处理,方便地构建出Fe/NCNTs催化剂。对比研究了碳纳米管(CNTs)和活性炭(AC)负载的铁催化剂的费托合成催化性能,结果发现,Fe/NCNTs无论是对C2=-C4=选择性,还是在催化活性和稳定性上都要优于对比组催化剂。为揭示Fe/NCNTs优异性能的本源,采用氮气物理吸附,FTIR, C02-、CO-和C2H4/C3H6-TPD, H2-TPR, XRD, ICP-MS, XPS, Raman, (HR)TEM, Mossbauer等多种表征手段并结合理论计算探究了NCNTs的作用机制。CO2-TPD结果表明,N掺杂使NCNTs载体呈现明显的碱性。CO-TPD及C2H4/C3H6-TP D结果表明,碱性的NCNTs载体增强了Fe/NCNTs催化剂对CO的解离吸附,抑制了低碳烯烃的二次加氢,从而提高了低碳烯烃的选择性。H2-TPR结果表明,CNTs和NCNTs载体都可以促进负载的铁催化剂的还原,但碱性的NCNTs载体更利于Fe2O3的还原。Mossbauer谱结果表明,Fe/NCNTs在反应中易于生成大量稳定的费托合成活性相㏑-Fe5C2。诸多实验结果表明,在活性Fe物种与碱性NCNTs载体间存在合适的相互作用,部分电子从载体转移至Fe物种,增加了Fe周围的电子云密度,调变了Fe与CO吸附分子间的相互作用(即Fe-C键增强,C-O键弱化),从而增强了CO解离吸附而减弱了H2分子吸附,这有助于提高低碳烯烃的选择性并抑制甲烷的生成。NCNTs载体对Fe物种的锚定作用促进了铁活性组分的高度分散,有利于催化剂的还原和碳化,从而有利于χ-Fe5C2活性相的形成,提高了催化剂的活性和稳定性。实验结果也得到了理论计算的支撑。本研究对于开发利用丰富的氮掺杂碳纳米材料设计高性能的费托合成制低碳烯烃催化剂提供了新的思路,也为通过多元掺杂调变碳材料载体的电子结构、进而优化催化剂的性能提供了重要参考。2.利用NCNTs中氮的锚定作用,分别采用等体积浸渍法、胶体法和沉积沉淀法方便地构建Fe/NCNTs催化剂,系统考察了制备方法对催化剂活性铁物种的分散、粒径分布和形貌、还原及碳化能力、费托合成催化性能的影响。结果表明,制备方法影响铁纳米粒子的粒度和分布、催化剂的还原和碳化行为,使催化剂表现出不同的催化性能。等体积浸渍法制备的催化剂具有分散性较好、粒径小和分布窄(8±4 nm)、更容易还原和碳化等特征,费托反应中呈现出最高的C2=-C4=选择性、催化活性和稳定性。胶体法得到了形貌各异的粒子,粒径分布在13±7 nm的宽范围,催化剂的还原能力介于等体积浸渍法和沉积沉淀法制备的催化剂之间,反应中活性相易被氧化使得催化剂活性及稳定性较差。沉积沉淀法所得催化剂的粒径最大(19±11 nm)和分布宽、最难还原和碳化,反应15h后催化剂活性及稳定性急剧下降。该研究为利用氮掺杂碳纳米材料作为载体设计和开发高性能的费托合成制低碳烯催化剂提供了有益参考。3.系统考察了金属负载量、反应温度、原料气空速、助剂添加等反应条件对Fe/NCNTs催化剂催化性能的影响,优化了反应条件。从提高CO转化率、低碳烯烃选择性及抑制副产物C02和CH4生成的角度综合考虑,金属负载量为10 wt%,反应温度为300℃、反应空速在4200nLh-1 g-1时较为适宜。同时添加0.5 wt%的K助剂可以进一步提高催化剂的性能。这些结果为此类催化剂的开发和改进提供参考依据。在优化条件下,Fe/NCNTs在费托合成中呈现出了高达46.7%的低碳烯烃选择性、高的催化活性和稳定性,展示出新型NCNTs载体在多相催化领域的应用前景。4.将在NCNTs中对氮掺杂作用的认识拓展到NCNCs体系。利用氮的锚定作用,方便地构建了NCNCs负载的Fe/NCNCs纳米复合催化剂。初步结果如下,利用NCNCs大的比表面积及氮的锚定作用可以将负载量高达40 wt%的Fe负载到NCNCs表面,得到了粒径分布在～10 nm的Fe/NCNCs纳米复合催化剂,该催化剂在费托合成制低碳烯烃反应中呈现了较高的催化活性及长达72小时的稳定性。