[发明专利]一种Fe-CNx纳米复合催化剂、制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于能源材料领域，具体涉及一种Fe-CNx纳米复合催化剂、制备方法及其应用。 

背景技术

近年来，通过对碳纳米管进行氮掺杂，以提高碳纳米管的应用性能，成为碳纳米管合成和应用领域的研究热点之一。这种掺杂碳纳米材料除了具有传统碳材料的高比表面积、相对化学惰性，而且因其良好的分散性、独特的纳米管腔结构，在催化领域引起广泛关注。掺杂氮的碳纳米管表面的特殊官能团具有催化作用，可直接用作催化剂，但更多的是将掺杂氮的碳纳米管作为催化剂的载体，如用于烃类加氢反应、合成气转化等催化反应中。 

目前，制备氮掺杂碳纳米管材料通常采用原位掺杂法，原位掺杂法是在合成碳纳米管过程中，通过使用含氮前驱体作为碳源在电加热高温条件下实现对碳纳米管的氮掺杂。例如CN101244815B公开一种以液相有机前驱物为碳源和氮源在管式炉电加热下制备氮掺杂碳纳米管的方法。然而原位掺杂法存在电加热受热不均，氮掺杂原子含量低等问题。 

而催化剂作为煤直接液化过程的核心技术之一，其活性和选择性极大地影响煤液化的反应速率、转化率、油产率、气体产率以及氢耗，也是影响煤液化成本的关键因素。根据煤液化的特点，通常采用性价比较高的铁系催化剂，如神华集团和煤炭科学研究总院联合开发的“863高效催化剂”是硫酸亚铁和氨水沉淀合成的水合氧化铁FeOOH，其活性高，添加量少，煤炭转化率高，目前已实现了工业化，取得了良好的效果。但是铁系催化剂其本身加氢活性相对弱，对煤的深度转化存在一定限制，如能在加氢反应中添加氮掺杂碳纳米管复合纳米催化剂，则能有效提高铁系催化剂的加氢活性，降低催化剂的使用量，促进煤液化反应过程中的前沥青烯和沥青烯转化为油的效率，从而提高煤的转化率和油收率。 

在催化剂的加氢催化反应中，目前采用的是在常规电加热下用密闭高压反应釜进行加氢反应一定时间，分别取气、液、固分析。常规电加热是使物体的表面受热，经热传导使物体内部的温度逐渐升高，加热的动力是热流方向上的温度差，因而最终达到整体均匀加热所需的时间就很长。另外，常规电加热在加热过程中具有一定的滞后性，这也会使催化反应偏离设定反应条件，产生一定的误差。 

因此，开发一种简单、经济、绿色的制备新型Fe-CNx纳米复合催化剂的技术并作为催化剂应用于煤直接液化具有十分重要的意义。 

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种Fe-CNx纳米复合催化剂、制备方法及其应用。 

本发明提供一种Fe-CNx纳米复合催化剂的制备方法，包括以下步骤： 

(1) 用可溶性铁盐水溶液浸渍中孔或大孔结构的分子筛，浸渍结束后进行研磨，得到粒径在300~500 μm之间的样品；其中：所述分子筛与可溶性铁盐的质量比为1：（1~3）；

(2) 将步骤(1)中所得的样品在干燥箱中于100~150℃温度烘干；然后在马弗炉中以400~800℃温度焙烧2~8小时，自然冷却后，研磨，筛分得到粒径小于100目的含铁的分子筛催化剂；

(3) 将步骤(2)中所得含铁的分子筛催化剂置于管式炉中，以微波加热至800~1000℃后 ，恒温处理0.5~8小时；恒温处理的同时以一定流速通入惰性气体和有机胺混合气体，之后自然冷却，得到氮掺杂碳纳米管CNx；

(4) 用可溶性铁盐水溶液浸渍步骤(3)中得到的氮掺杂碳纳米管CNx，在氮掺杂碳纳米管CNx上负载铁盐，再在烘箱中于100~110℃干燥12~24 h，然后在N₂保护下于300~450℃焙烧2~5 h，自然冷却，最终得到Fe-CNx纳米复合催化剂。

上述步骤(1)中，所述的分子筛选自 NaY、SAPO-36、SAPO-11、SAPO-5或SBA-15分子筛中的任一种。 

上述步骤（1）和步骤（4）中，所述可溶性铁盐选自硝酸铁、氯化铁、硫酸亚铁或硫酸铁中的任一种。 

上述步骤(3)中，惰性气体选自氩气、氮气或氦气中的一种；所述有机胺选自二乙胺、六亚甲基四胺、三乙胺、乙二胺或二丙胺中的一种或几种。 

上述步骤(3)中，混合气体中还包括氨气。 

上述步骤(3)中，以微波加热方式升温到800~1000℃时的升温速率为0.5~30℃/分钟，所述混合气体的流速为10～30ml/min。。 

本发明还提供一种根据上述的制备方法得到的Fe-CNx纳米复合催化剂。