本技术涉及一种高效双功能催化剂,用于将二氧化碳直接氢化转化为高附加值的对二甲苯。该技术提供了一种制备方法,以及该催化剂在二氧化碳氢化反应中的应用,旨在提高对二甲苯的选择性和产率,为碳资源的循环利用和化工原料的绿色合成提供新途径。
背景技术
芳烃是化工生产过程中最关键的平台分子,在人类生产和生活中发挥着举足轻重的作用。苯、甲苯和二甲苯作为重要的化工原料或溶剂,广泛应用于染料工业、农药生产、香料制造、制漆、喷漆、制药、制鞋、家具制造等行业。作为一种重要的单体,它还能生产一系列重要的化学品和聚合物,包括苯酚、苯胺、苯乙烯、树脂、聚酯和尼龙。对二甲苯衍生的精对苯二甲酸(PTA)可聚合合成聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),与人们的生活息息相关。然而,目前化工生产中使用的大部分芳烃都是通过催化重整石脑油和高能耗化学品生产出来的。此外,苯、甲苯和二甲苯异构体的分离也是一个极其耗能的过程。因此,迫切需要开发一种非石油直接合成对二甲苯的方法,以缓解原油价格下跌对资源造成的巨大压力。
一段时间以来,研究人员提出了几种从非石油分子合成对二甲苯的途径,包括CO/CO2
加氢、甲醇芳香化、苯/甲苯甲基化和烷烃芳香化。将含一个碳原子的二氧化碳分子直接氢化生成含八个碳原子的对二甲苯是一种高度绿色的碳转化方法。然而,对二甲苯的直接、高效和绿色合成具有挑战性。将甲醇合成催化剂与特定的沸石耦合以构建双功能催化剂,可使二氧化碳通过甲醇介导的途径直接转化为芳烃。然而,甲醇介导的途径通常具有较低的CO2
转化率(5%-30%)和较高的CO选择性(20%-80%)。这是由于热力学平衡的限制,很难满足工业生产的要求。也可以通过铁基催化剂与沸石耦合构建双功能催化剂,还可以通过改进的费托合成(FTS)途径高效生产芳烃。通常,FTS途径是在铁基催化剂上通过反向水气变换(RWGS)和FTS反应生成Cn
H2n
中间体,然后在酸性沸石上进行烯烃低聚和芳香化反应生成芳烃。这一过程的关键是在酸性沸石中形成Cn
H2n
中间体和进行接枝转化,这对最终产品的芳烃选择性有很大影响。由于安德森-舒尔茨-弗洛里(ASF)定律的控制,FTS反应通常表现出更广泛的产物分布,因此轻烯烃的选择性通常较低。
为了提高加氢活性和轻烯烃的比例,人们经常在铁基催化剂中加入一系列添加剂,以活化CO2
并优化烯烃选择性。在二氧化碳加氢生产对二甲苯的过程中,对二甲苯是在ZSM-5沸石的微孔中形成的,但是产物中的对二甲苯在扩散过程中会异构化为其他异构体,或在外部烷基化为重芳烃,对二甲苯的产物选择性和时空产率均不能令人满意。另一方面,沸石微孔内的晶间介质扩散限制了反应物和产物分子的介质扩散,导致不可避免的碳沉积,进而导致催化剂迅速失活。因此,设计开发一种具有高CO2
转化率和对二甲苯选择性以及优异的对二甲苯时空产率和稳定性的新型双功能催化剂是一项重大挑战。
实现思路