含χ碳化铁组合物及其制备方法、催化剂和应用以及费托合成的方法技术

本发明专利技术涉及费托合成反应领域，公开了含χ碳化铁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0‑5mol％的含Fe杂质，所述含Fe杂质为χ碳化铁之外的含铁元素物质。可以简便地制得χ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。

【技术实现步骤摘要】
含χ碳化铁组合物及其制备方法、催化剂和应用以及费托合成的方法
本专利技术涉及费托合成反应领域，具体地涉及含χ碳化铁组合物及其制备方法、催化剂和应用以及费托合成的方法。
技术介绍
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→CnH2n+2+nH2O(1)，2nH2+nCO→CnH2n+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，CHx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低温碳化，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相成分。因此，费托合成反应使用的铁基催化剂需要改进。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术第一方面提供一种含χ碳化铁组合物，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0-5mol％的含Fe杂质，所述含Fe杂质为χ碳化铁之外的含铁元素物质。本专利技术第二方面提供一种制备含χ碳化铁组合物的方法，包括：(1)将纳米铁粉或能够通过还原得到纳米铁粉的纳米粉体铁化合物与H2在温度为350-510℃下进行还原与表面净化处理；(2)将步骤(1)得到的物料与含O2气体在温度为0-50℃下进行表面钝化处理，所述含O2气体中O2的体积浓度为1-5％；(3)将步骤(2)得到的物料与H2、CO在温度为250-430℃下进行碳化物制备，H2与CO的摩尔比为8-100：1，得到纯χ碳化铁；(4)将95-100摩尔份的纯χ碳化铁与0-5摩尔份的含Fe杂质在惰性气体保护下进行混合；其中，所述含Fe杂质为χ碳化铁之外的含铁元素物质。本专利技术第三方面提供一种本专利技术提供的方法制得的含χ碳化铁组合物。本专利技术第四方面提供一种催化剂，包含本专利技术提供的含χ碳化铁组合物。本专利技术第五方面提供一种本专利技术提供的含χ碳化铁组合物或催化剂在费托合成反应中的应用。本专利技术第六方面提供一种本专利技术提供的含χ碳化铁组合物或催化剂在以费托合成原理为基础进行C、H燃料和/或化学品合成中的应用。本专利技术第七方面提供一种费托合成反应的方法，包括：在费托合成反应条件下，将合成气与本专利技术提供的含χ碳化铁组合物或催化剂接触。本专利技术第八方面提供一种费托合成的方法，包括：在费托合成反应条件下，将合成气与费托催化剂接触，其中，所述费托催化剂包含Mn组分和本专利技术提供的含χ碳化铁组合物。通过上述技术方案，本专利技术具有以下技术效果：(1)所需原料简便易得，成本低廉：主要原料铁源仅为普通市售纳米铁粉，也可以是普通市售的可在费托合成反应器内还原生成纳米铁的纳米氧化铁(Fe2O3)粉、纳米磁铁矿(Fe3O4)粉、纳米针铁矿粉、纳米铁水合物粉等纳米粉体铁化合物；合成活性相碳化物时，仅利用反应体系的原有反应气(一氧化碳与H2)即可；不涉及任何无机或有机物反应原料，与现有文献技术相比大大简化；(2)操作步骤简便，优选的实施方式中，制备χ碳化铁的整个过程，仅需还原与表面净化处理、表面钝化处理、碳化物制备三步，可在同一反应器内原位实现活性相的制备。(3)本专利技术通过方法包括的步骤，能够分别制备出100％纯度的活性相χ碳化铁，可以与含Fe杂质组成组合物，进一步地与助剂组成催化剂。该100％纯度的活性相χ碳化铁或组合物或催化剂能够适用于高温高压(例如，235-320℃的温度，2.0-2.5MPa的压力，H2/CO＝1.5-2.0氢碳比)连续反应器，反应稳定性极高，打破了传统文献理论“接近纯粹的χ碳化铁须在反应条件下无法稳定存在”的理论技术壁垒，其可实现稳定温度达320℃，且CO2选择性极低：在工业费托合成反应条件下，可使用高压连续反应器保持连续稳定反应400h以上，其CO2选择性在9％以下(优选情况下可以达到6％或以下)；同时，其副产物CH4选择性也保持在15％以下(优选情况下可以达到10％以下)，有效产物选择性可达到76％以上(优选情况下可以达到85％以上)，十分适用于现代煤化工费托合成大工业高效产出油蜡产品使用。附图说明图1为本专利技术中提供的实施例1制备碳化铁过程的原位XRD谱图；其中，A-还原与表面净化处理前，B-还原与表面净化处理后，C-表面钝化处理后，D-碳化铁制备完成；图2为本专利技术中提供的实施例1制得的碳化铁的穆斯堡尔谱图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。本专利技术第一方面提供一种含χ碳化铁组合物，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0-5mol％的含Fe杂质，所述含Fe杂质为χ碳化铁之外的含铁元素物质。本专利技术提供的含χ碳化铁组合物中，χ碳化铁为纯度为100％的χ碳化铁。进一步地，χ碳化铁可以与其他含Fe杂质组成组合物。在上述含量限定下，本专利技术提供的含χ碳化铁组合物可以应用于费托合成催化剂时，单独使用或与其他组分配，能够提高费托合成催化剂进行费托合成反应中的稳定性，大幅度降低CO2或CH4副产物选择性。本专利技术中，所述组合物含有高纯度的χ碳化铁，进行XRD与穆斯堡尔谱分析，可以在获得的XRD图谱与穆斯堡尔谱结果上观察到该晶相为纯粹的χ碳化铁。优选地，所述组合物的比表面积为3-62m2/g，优选为6-45m2/g。比表面积可以通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含χ碳化铁组合物，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0-5mol％的含Fe杂质，所述含Fe杂质为χ碳化铁之外的含铁元素物质。/n

【技术特征摘要】
20190930 CN 20191094009051.一种含χ碳化铁组合物，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0-5mol％的含Fe杂质，所述含Fe杂质为χ碳化铁之外的含铁元素物质。


2.根据权利要求1所述的组合物，其中，所述组合物的比表面积为3-62m2/g，优选为6-45m2/g。


3.根据权利要求1或2所述的组合物，其中，按所述组合物的总量计，所述组合物包含97-100mol％的χ碳化铁和0-3mol％的含Fe杂质。


4.根据权利要求1-3中任意一项所述的组合物，其中，所述含Fe杂质为χ碳化铁之外的碳化铁、铁、铁氧化物、铁氢氧化物、铁硫化物、铁盐中的至少一种。


5.一种制备含χ碳化铁组合物的方法，包括：
(1)将纳米铁粉或能够通过还原得到纳米铁粉的纳米粉体铁化合物与H2在温度为350-510℃下进行还原与表面净化处理；
(2)将步骤(1)得到的物料与含O2气体在温度为0-50℃下进行表面钝化处理，所述含O2气体中O2的体积浓度为1-5％；
(3)将步骤(2)得到的物料与H2、CO在温度为250-430℃下进行碳化物制备，H2与CO的摩尔比为8-100：1，得到纯χ碳化铁；
(4)将95-100摩尔份的纯χ碳化铁与0-5摩尔份的含Fe杂质在惰性气体保护下进行混合；
其中，所述含Fe杂质为χ碳化铁之外的含铁元素物质。


6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述纳米粉体铁化合物为纳米氧化铁粉、纳米磁铁矿粉、纳米针铁矿粉和纳米铁水合氧化物粉中的至少一种。


7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述纳米铁粉的平均晶粒直径为5-35nm，优选为10-27nm。


8.根据权利要求5或6所述的方法，其中，步骤(1)中，所述还原与表面净化处理的压力为0.12-18atm，优选为0.22-2.5atm；时间为1.2-30h，优选为2-12h；
进一步优选地，步骤(1)中，H2的气体流量为600-25000mL/h/g，更优选为1200-16000mL/h/g。


9.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏，吕毅军，蒋复国，埃米尔·J·M·亨森，张冰，门卓武，王涛，
申请(专利权)人：国家能源投资集团有限责任公司，北京低碳清洁能源研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11