中日合力推翻定论 新FT合成催化剂可大幅削减钴用量
消息来源:baojiabao.com 作者: 发布时间:2024-05-20
日本
富山大学研究生院理工学研究部的椿范立教授
与天津大学的李新刚教授
及田野讲师组成的中日联合研发小组,推翻了费托合成(FT)的定论,开发出可大幅削减钴用量的胶囊型FT合成催化剂。由于现有FT催化剂是利用“直径达20~30nm左右的”钴(Co)纳米颗粒合成轻油等物质的,钴的消耗量大,FT合成催化剂及FT合成设备的成本暴涨。此次,中日联合研发小组推翻了传统的FT合成催化剂的基本定论,发现包覆二氧化硅层的钴基胶囊催化剂可利用 “尺寸为大颗粒钴1/10左右的小型钴纳米颗粒” 来合成轻油等物质。以往工业用途的吸附型FT催化剂,钴的含量重量比为30~40%,而此次的发现可将其降至5~10%以下。
传统的商业催化剂中如果在二氧化硅(SiO2)上吸附的钴(Co)颗粒尺寸较小,合成出来的是液化石油气(LPG)等轻烃物质(图1)。如果吸附的钴颗粒尺寸较大,金属表面的碳链延伸,才能合成出轻油等液体燃料(图2)。在包覆在二氧化硅多孔膜上面的小型钴颗粒表面,即使生成轻烃,也会被再次吸附在催化剂金属表面,碳链延伸,生成轻油等(图3)。或者被再次吸附至旁边的小型钴颗粒表面,形成液体燃料(图4)。
FT合成是利用合成气(一氧化碳和氢的混合气体)合成轻油等石油替代燃料及化学品的催化反应。合成气可利用天然气(包括页岩气和甲烷水合物)、生物质、煤炭及可燃性垃圾轻松制造,因此FT合成反应是对工业影响很大的催化反应之一。不过,一座每天制造3万桶合成燃料的反应塔,钴催化剂的用量高达500吨,而且催化剂每1~2年就需要更换一次,随着纯电动汽车的亮相,钴的价格正在暴涨,因此生产轻油等的大型FT合成设备需要大幅削减钴用量。
此次开发的胶囊型催化剂将作为新的FT合成催化剂投入工业设备,此外还计划用于与FT合成类似、利用二氧化碳(CO2)和氢生成液体燃料的合成。
相关研究成果已于2018年8月14日(英国时间)发布在英国科学杂志《自然通讯》(Nature Communications)的在线速报版上。
文 JST
客观日本编辑部
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