活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　由于能源的消耗過快再生比較慢。因此，研究人員將重點放在環保工藝和技術的開發上，同時確保一個合理生活水平。生物質是生產合成燃料和能源的更重要的潛在來源之一。生物質合成氣是利用生物質轉化為液體燃料，生物甲醇的中間產物。近年來，在能源和化學工業中，甲醇的生產已大大增加，因為它是化學合成和其他用途(如清潔運輸燃料)的重要分子。低成本甲醇生產的評估是通過已開發的催化劑進行的。本期介紹的重點是開發用于甲醇合成的低成本催化劑。以活性炭為載體，通過銅，鋅的浸漬法制備甲醇合成活性炭催化劑。然后測試活性炭催化劑的一個整體效果。

　　活性炭催化生產甲醇

　　合成氣主要由CO和H2組成，可以作為固定床反應器中使用活性炭催化劑合成甲醇的原料。利用已開發的催化劑對甲醇的低成本，低溫和低壓生產進行了評估。活性炭催化劑的作用是通過較低的活化能獲得合適條件的關鍵。活性炭將負載的材料由于其獨特的性能而備受關注。它們的應用領域包括傳感器，水凈化，電化學和氫氣存儲。活性炭還可以用作載體催化劑，因為活性炭具有較大的表面積和化學惰性。

　　甲醇合成后，將活性炭催化劑插入連續的管狀固定床反應器中(圖1.)。在將工作條件調節至壓力14-20 bar和溫度220°C的條件下測試穩定性。在管式反應器中總共填充1-2克活性炭。在反應步驟之前，在操作溫度下用H 2流還原催化劑。使用機器生成的甲醇分析氣體為了防止催化劑液化，活性炭催化劑層后的管道保持在150°C。

　　圖1：甲醇合成的實驗裝置。

　　活性炭載催化劑的材料分析

　　活性炭催化劑的制備，采用浸漬法制備了Cu/ZnO/活性炭催化劑。硝酸銅和硝酸鋅是將附著在活性碳上的銅和氧化鋅載體的原材料。Zn起促進劑的作用，以防止Cu的燒結。銅將在催化劑上被氧化并寫為銅[Zn]。之后，來自CuO分子將為CuO/ZnO相的形式。其還原將受到ZnO的影響。制備活性炭催化劑后，然后通過XRF，XRD，SEM和BET表面積分析儀對催化劑進行表征。商業催化劑和Cu/ZnO/活性炭催化劑的XRF分析見圖2。

　　圖2：活性炭催化劑的XRF表征。

　　圖2表明催化劑的組成與理論不同。根據XRF結果，催化劑Cu/ZnO/活性炭的成分為Cu：Zn：C為1.65：0.18：98(%wt)，商用催化劑的成分為Cu：Zn：Al為56.05：10.71：2.92(%wt)。考慮到它不包含在直徑為75-90μm的顆粒中，因此會在研磨或篩分過程中分散。使用Scherrer方程從XRD計算得出的CuO晶體。商業催化劑的直徑為17.91nm，Cu/ZnO/活性炭催化劑為36.87nm。盡管Cu/ZnO/活性炭催化劑具有較高的CuO含量，但是CuO微晶尺寸較小。

　　活性炭催化載體和市售催化劑對比

　　活性炭催化劑的SEM表征如圖3所示。SEM圖像可提供有關材料結構和單個顆粒形狀的詳細信息。商業催化劑和Cu/ZnO/活性炭催化劑由不規則顆粒組成，團塊較大且分散多樣。從圖3可以看出，兩種催化劑均收集在一個位置，但分布仍然相對良好。

　　圖3：催化劑的SEM表征(a)商業催化劑，(b)Cu/ZnO/活性炭催化劑。

　　由活性炭制備的催化劑的表面積為比市售催化劑的表面積大了十倍。活性炭作為載體催化劑制備的催化劑的表面積明顯高于商業催化劑。該行為可以通過反應后載體的孔堵塞來解釋。甲醇合成，甲醇合成的其為放熱反應。基于反應，獲得1摩爾的CH 3 OH需要1摩爾的CO和2摩爾的H 2。測試了兩種催化劑的催化活性，市售催化劑和Cu/Zn/活性炭。將總共​​1-2克的催化劑填充到固定床反應器中。在反應步驟之前，在工作溫度下用氫氣流還原催化劑。根據結果，在條件操作為230℃的條件下，商用催化劑合成氣的較大甲醇轉化率，而在260℃的條件下為Cu/ZnO/活性炭催化劑。與通過浸漬法的Cu/ZnO/活性炭催化劑(1.26%的甲醇產率)相比，通過市售催化劑的催化活性仍低于1.12%的甲醇產率。

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