[发明专利]一种负载型铁基催化剂及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及催化剂，尤其涉及一种负载型铁基催化剂及其制备方法和在合成气制低碳烯烃体系的用途。

背景技术

低碳烯烃(C₂^＝～C₄^＝)是重要的化工基础原料，广泛应用于塑料、合成树脂、纤维、橡胶等大宗合成材料的生产。目前，低碳烯烃主要通过石油化工路程，如轻油裂解制取。随着石油资源的日益枯竭，国际石油价格高位徘徊，导致低碳烯烃的生产成本不断提高，极大地限制了低碳烯烃工业的发展。因此，在改进传统制备工艺的同时，开发非石油原料制备低碳烯烃技术具有重要的意义。

与石油资源相比，煤、天然气和生物质资源相对丰富。目前，由煤、天然气或生物质来源的合成气，经甲醇两步法制烯烃已经实现工业化应用，但存在流程复杂，工艺路线长，一次性投资大等问题。合成气经费-托合成直接制取低碳烯烃的技术，不仅可减少对石油资源的过分依赖、推动贫油地区的工业发展，而且避免了甲醇等中间产物的产生，具有流程短、能耗和煤耗低的优势，对均衡合理利用我国资源、确保国家能源安全具有十分重要的战略意义。

合成气直接转化制低碳烯烃体系中，铁基催化剂相比于其他金属催化剂具有较大的竞争优势，如(1)成本低廉(2)水汽变换活性较高，可直接转化低H₂/CO比的煤、生物质等来源的合成气；(3)在适合低碳烯烃生产的高温条件下，甲烷选择性较低。与非负载型的催化剂相比，负载型的催化剂可以实现活性组分的分散、固载，减少结焦导致的颗粒破碎，具有更好的工业应用前景。研究发现，以活性材料为载体制备的催化剂虽然可以实现活性组分的分散，有效克服了非负载催化剂机械稳定性差的问题，但是载体与活性组分间强的相互作用会对催化剂的活化产生阻碍，不利于实现催化剂的高活性。以碳纳米纤维和α氧化铝为代表的惰性载体，与活性组分间相互作用力较弱，在实现活性组分分散的同时，可以有效促进反应活化，有利于助剂与活性组分间的作用，因而日益受到重视(De Jong等，Science，2012)。然而普通块状结构商业α氧化铝普遍比表面积较小，不利于活性组分的分散、固载。

因此，研究寻找一种可以实现活性组分的高效分散、固载的负载型铁基催化剂显得尤为重要。

发明内容

本发明旨在提供一种新型的铁基纳米催化剂及其制备方法和用途。

本发明还要提供纳米棒状α氧化铝的新用途。

在本发明的第一方面，提供了一种负载型铁基催化剂，所述的催化剂以纳米棒状α氧化铝为载体负载金属颗粒，所述金属颗粒为铁纳米颗粒；所述催化剂上铁纳米颗粒均匀分散、负载在氧化铝载体表面。

在另一优选例中，所述负载型铁基催化剂铁的负载量为1-40wt％；更佳地，为5-25wt％；最佳地，为5-10wt％。

在本发明的第二方面，提供了一种如上所述的本发明提供的负载型铁基催化剂的制备方法，所述方法包括步骤：

(1)将铁的前驱体和溶剂混合得到铁的前驱体溶液；和

(2)将铁的前驱体溶液浸渍到纳米棒状α氧化铝上，经过陈化、干燥，而后高温焙烧、还原得到负载型铁基催化剂。

在另一优选例中，在150-600℃进行焙烧；更佳地，为250-500℃；最佳地，为400-500℃。

在本发明的第三方面，透过率一种如上所述的本发明提供的负载型铁基催化剂的用途，用作合成气制低碳烯烃的催化剂或用于合成气制低碳烯烃。

在本发明的第四方面，提供了一种合成气制低碳烯烃的方法，所述方法使用如上所述的本发明提供的负载型铁基催化剂。

在本发明的第五方面，提供了一种纳米棒状α氧化铝在制备如上所述的本发明提供的负载型铁基催化剂中的应用。

在另一优选例中，所述纳米棒状α氧化铝由直径为纳米级的棒状物组成，晶相为α型。

在另一优选例中，所述纳米棒状α氧化铝通过下述步骤制备得到：

(1)将α氧化铝前驱体干燥脱水，得到干燥的前驱体；和

(2)煅烧干燥的前驱体，升温速率在1-10℃/min，煅烧温度在400-1400℃，煅烧处理时间为1-12小时，得到纳米棒状α氧化铝。

在另一优选例中，所使用的前驱体可以在一定焙烧条件下，转变成纳米棒状α氧化铝，具体包括γ-氧化铝、η-氧化铝、χ-氧化铝、其他过渡氧化铝、拟薄水铝石、勃姆石、三水铝石、三羟铝石等。