[发明专利]金属负载介孔碳-ZSM-5分子筛壳核催化剂及其制备和应用方法

说明书

本发明涉及一种金属负载介孔碳‑ZSM‑5微孔分子筛壳核催化剂及其制备和应用方法，采用水热合成法和软模板法，制备具有高介电性和金属负载特性的壳核催化剂，利用高介电性，在微波场中吸波升温，大大提高物料体系在微波场中的整体升温速率，同时，利用催化剂介孔碳壳层和金属负载特性，在微波场作用下，促进大分子物质断键裂解成小分子物质，降低热解过程中的结焦量。小分子物质进入ZSM‑5分子筛进行高效择形脱氧，降低生物油中的含氧量，制取富烃生物油。本发明通过对催化剂的形貌调控，结合微波场的加热方式，提高了催化剂催化活性和稳定性，实现生物质的高品质制油。

技术领域

本发明涉及生物质催化技术领域，尤其是一种金属负载介孔碳-ZSM-5分子筛壳核催化剂及其制备和应用方法。

背景技术

生物质能作为一种可再生能源，通过热化学方法将其转化为可利用的生物油、合成气已经得到广泛研究，生物质转化技术分三大类：直接燃烧、生物转化和物理化学转化，其中微波场生物质催化热解技术属于物理化学转化技术，具有整体加热、条件温和、绿色节能、便于控制、清洁卫生无污染等优点。其将生物质转化为生物油表现出了良好的效果。但是生物质原料和大部分催化剂材料的吸波升温性能并不优越，不利于制取高品质生物油，限制了其直接作为化石燃料的替代品或者与化石燃料掺混使用的可能性。

ZSM-5分子筛催化剂在结构上具有直孔道(0.53nm×0.56nm)与弦形孔道(0.51nm×0.55nm)双向交叉的纳米微孔，生物质初级热解蒸汽中的含氧化合物在这些孔道内通过脱水、脱羰基以及脱羧基等反应完成催化脱氧，生成烃类，而O则以H₂O、CO、CO₂的形式脱除。虽然其在生物质热解过程中能够起一定的催化作用，但研究表明，ZSM-5分子筛催化剂的转化率较低，随着时间的推移，催化表面会因大分子物质结焦而失去活性。

基于以上背景，现今的生物质热解催化剂及微波热解技术中存在着以下问题和挑战：

(1)生物质原料和大部分催化剂材料的介电性能差，tanδ数值低，吸波升温性能不优越，无法在微波场的微波辐射下迅速加热升温，消耗能源的同时也影响着高品质生物质油的制取。

(2)生物质微波催化快速热解得到的生物油虽然质量上有了很大的提高，但是由于催化剂断键裂解能力较单一，催化速度较慢等问题，生物质油的质量无法保证，产率较低，难以有效利用。

(3)生物质初级热解蒸汽中50％以上的组分是分子量大于500的大分子物质(包括低聚合度纤维素、木质素衍生物、低聚糖、多苯环类、大分子醇醛酮酸类、大分子碎片、反应中间物等)这部分大分子物质无法进入ZSM-5微孔分子筛孔道被催化转化，造成转化率降低，并且这些大分子物质多为不稳定化合物，会在ZSM-5微孔分子筛外表面不断缩聚结焦不断生长延展的焦，最终会堵塞分子筛催化剂孔口，限制反应物向催化剂孔道内的扩散，阻碍后续择形催化反应的进行。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种金属负载介孔碳-ZSM-5分子筛壳核催化剂及其制备和应用方法，目的是提高微波场加热下催化剂活性和稳定性及高质量生物油生产能力。

本发明采用的技术方案如下：

一种金属负载介孔碳-ZSM-5分子筛壳核催化剂制备方法，包括以下步骤：

S1：将大分子金属源、大分子碳源和结构导向剂加入尚未脱除模板剂的ZSM-5分子筛胶体溶液中，并均匀混合；且所述大分子金属源、大分子碳源和结构导向剂的分子大于所述ZSM-5分子筛的孔道尺寸；

S2：利用水热或自组装过程，使所述大分子金属源、大分子碳源和结构导向剂包覆在尚未脱除模板剂的ZSM-5分子筛胶体外表面；

S3：烘干和固化，使所述大分子金属源、所述大分子碳源和所述结构导向剂与所述尚未脱除模板剂的ZSM-5分子筛胶体溶液紧密接触形成固体；