[发明专利]含χ碳化铁和θ碳化铁的组合物及制备方法、催化剂和应用及费托合成的方法

说明书

本发明涉及费托合成反应领域，公开了含χ碳化铁和θ碳化铁的组合物及其制备方法、催化剂和应用以及费托合成的方法。含χ碳化铁和θ碳化铁的组合物，按所述组合物的总量计，所述组合物包含95‑100mol％的χ碳化铁和θ碳化铁，以及0‑5mol％的含Fe杂质，所述含Fe杂质为χ碳化铁和θ碳化铁之外的含铁元素物质。可以简便地制得χ碳化铁和θ碳化铁，作为活性组分获得连续稳定的费托合成反应，有效产物选择性高。

技术领域

本发明涉及费托合成反应领域，具体地涉及含χ碳化铁和θ碳化铁的组合物及其制备方法、催化剂和应用及费托合成的方法。

背景技术

我国一次能源结构的特点是富煤、缺油、少气。随着我国经济的发展，石油对外依存度不断攀升。

费托合成是近年来愈发重要的能源转化途径，可将一氧化碳与H₂的合成气转化为液态燃料与化学品。

费托合成的反应方程式如下：

(2n+1)H₂+nCO→C_nH_2n+2+nH₂O  (1)，

2nH₂+nCO→C_nH_2n+nH₂O  (2)。

除烷烃和烯烃外，工业费托合成还可产生副产物二氧化碳(CO₂)和甲烷(CH₄)。费托合成反应的机理复杂，步骤繁多，诸如CO解离，碳(C)加氢，CH_x链增长，以及导致烃产物脱附与氧(O)移除的加氢与脱氢反应。

铁是用于制造费托合成催化剂的最便宜的过渡金属。传统铁基催化剂具有很高的水煤气变换(CO+H₂O→CO₂+H₂)活性，因此传统铁基催化剂通常会有较高的副产物CO₂选择性，通常占转化原料一氧化碳的25％-45％。这成为费托合成反应铁基催化剂的主要缺点之一。

铁基催化剂的活性相的变化非常复杂，这导致其活性相本质和铁基催化剂的费托合成反应机理存在着相当大的争论。

CN104399501A公开了一种适用于低温费托合成反应的ε-Fe₂C的纳米颗粒制备方法。其起始的前驱体为骨架铁，反应体系为聚乙二醇溶剂的间歇性非连续反应。这种催化剂的CO₂选择性为18.9％，CH₄的选择性位17.3％。其缺点为只能应用于200℃以下低温，反应无法连续完成。这意味着这种催化剂不适用于现代费托合成工业条件下的连续生产。但由于骨架铁无法完全碳化，所以，该文献记载的ε-Fe₂C的纳米颗粒中含有相当数量的非碳化铁型的铁杂质成分，事实上，现有技术无法得到不含铁杂质的ε-Fe₂C纯相物质，这里的Fe杂质是指非ε-Fe₂C的各种含Fe(元素)相成分。

因此，费托合成反应使用的铁基催化剂需要改进。

发明内容

本发明的目的是为了解决铁基催化剂如何获得不含Fe杂质的纯相碳化铁物质，并提高进行费托合成反应的稳定性，同时降低CO₂或CH₄副产物选择性过高的问题，提供了含χ碳化铁和θ碳化铁的组合物及其制备方法、催化剂和应用以及费托合成的方法。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种含χ碳化铁和θ碳化铁的组合物，按所述组合物的总量计，所述组合物包含95-100mol％的χ碳化铁和θ碳化铁，以及0-5mol％的含Fe杂质，所述含Fe杂质为χ碳化铁和θ碳化铁之外的含铁元素物质。

本发明第一方面提供一种制备含χ碳化铁和θ碳化铁的组合物的方法，包括：

(1)制备θ碳化铁，包括：