[发明专利]一种微波原位快速合成杂原子功能化的负载型金属催化剂的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种微波原位快速合成杂原子功能化的负载型金属催化剂的制备方法。本发明设计以具有双键结构的碳基载体材料为载体，通过杂原子的引进实现对载体材料结构性能的调控，以此负载金属铁物种。通过微波加热快速处理，得到具有杂原子改性处理的碳基负载型金属催化剂。本发明通过采用新颖的微波处理为加热方式，避免了传统加热方式的使用，能够快速合成分散均匀的负载型金属催化剂。杂原子的存在能够有效地铆钉金属物种，维持催化活性的稳定，为费托合成制备高值烃产物的催化剂合成设计提供了新的思路。

技术领域

本发明设计一种微波原位快速合成杂原子功能化的负载型金属催化剂制备方法，即通过杂原子掺杂调控碳基载体材料的物化性能，采用有别于传统热处理方式的微波加热操作处理催化剂前驱体，得到杂原子功能化的负载型金属催化剂，并用于费托合成制备高值烃产品。

背景技术

石油、煤炭和天然气是是重要的不可再生型碳基能源,合理使用上述三种能源对于国家安全以及经济持续发展具有重要影响。近年来，随着石油资源的日益枯竭，寻找替代能源已成为国家重要的战略性课题。结合我国“多煤、贫油、少气”的能源结构，利用丰富的煤炭资源，大力发展煤制高值烃产业，对于缓解石油进口压力同时实现洁净能源生产具有非常重要的意义。其中，费托合成(Fischer-Tropsch synthesis)过程就是实现煤和天然气催化转化为高值烃类产品的核心技术。早在上个世纪20年代，德国化学家Fischer和Tropsch 就成功开发出费托合成技术，并在二战期间投入大规模生产。该过程以合成气(CO/H₂)为原料在催化剂和适当反应条件下合成高值烃产品工艺过程。目前，以煤为原料通过费托合成法制取的烃产物，虽然在经济上尚不能与石油产品相竞争，但是对于像我国一样具有丰富廉价的煤炭资源而石油资源贫缺的国家或地区来说，费托合成技术具有良好的发展应用前景和战略价值。

构筑设计高性能催化剂是高效地实现费托合成过程转化的重要因素。金属铁由于廉价易得、并能够在较为广泛的操作条件下进行使用因而被广泛用于费托合成。不同于金属铁，金属钴由于其良好的碳链增长能够同样被广泛用于费托合成过程。载体材料作为活性金属的支撑载体，能够有效地稳定和分散活性相，提升催化效率。传统的载体包括氧化硅、氧化铝、氧化钛等氧化物，但是由于金属和载体之间的强相互作用，通常在高温处理下会形成难以还原的氧化物种，减弱催化剂还原和碳化能力。甚至高温预处理条件下会促使活性金属发生烧结聚集，降低催化活性。不同于这些氧化物载体，碳基载体材料由于其良好的表面特性、弱的金属载体作用，能够有效提升费托合成催化性能而被广泛关注和研究。与此同时，对这些碳基载体材料进行进一步杂原子掺杂能够有效调控活性金属电子环境，改善催化性能。因此设计合成杂原子掺杂的功能化金属催化剂，能够有效地提升催化性能。

发明内容

本发明的目的在于提出一种简单的功能性负载金属催化剂制备路线，通过杂原子掺杂调控活性金属电子环境，改善催化性能；同时通过微波快速加热处理，缩短制备周期。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种微波原位快速合成杂原子功能化的负载型金属催化剂制备方法，包括以下步骤：

(1)将碳基载体材料移入含氮试剂或者含硼试剂水溶液中，随后密封移入到加热烘箱中，在60-150℃条件下，热处理5-15小时，洗涤干燥，得到杂原子掺杂的载体材料；

(2)将金属盐溶于去离子水中，随后浸渍到改性的碳载体材料上，铁的负载量介于1-35％，随后抽真空干燥处理；

(3)在惰性气体保护下，通过微波快速加热处理上述催化剂前驱体，得到杂原子掺杂的碳基载体材料负载的金属催化剂，微波功率介于500-1000W，处理时间介于1-20s。

所述碳基载体材料为活性炭、石墨烯、碳纳米管、炭黑、介孔碳材料、碳球中的一种或两种以上。

所述的含氮试剂为硝酸、氨水中的一种。