[发明专利]一种氮掺杂碳化钨催化剂及其制备和应用

说明书

本发明涉及催化技术领域，具体涉及一种氮掺杂碳化钨催化剂及其制备和应用，公开一种氮掺杂碳化钨催化剂，包括氮掺杂碳化钨活性中心和含有B酸位的载体，氮掺杂碳化钨活性中心为氮掺杂碳化钨纳米颗粒，粒径≤10nm，可将CO₂转化为高附加值的乙醇和丙醇产物，显著提高转化率和乙醇丙醇的选择性；其制备方法，采用共浸渍制备法，简单方便，无需严格的控制金属盐溶液的浓度，制备的催化剂活性中心C、N含量匹配合理，使得催化剂具有较高的活性和稳定性；调控W₂C中电子结构，从而有效调控CO₂加氢过程中C‑C键生成速率及C‑O键断裂速率，大大降低了C1产物的选择性，提高了乙醇、丙醇产物的选择性，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及催化技术领域，具体涉及一种氮掺杂碳化钨催化剂及其制备和应用。

背景技术

乙醇、丙醇是十分重要的有机溶剂和基础化工原料，其用途十分广泛，乙醇可用于制造乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等化工原料，也可调入汽油作为车用燃料；丙醇可用于合成乙酸丙酯、乙二醇醚、丙胺等大宗化学品，也可用于合成尼泊金丙酯、全氟丙酸、氟乐灵等医药、农药用品；乙醇和丙醇在国防工业、医疗卫生、有机合成、食品工业、工农业生产中都有广泛的用途。

现有的制备乙醇的方法主要有发酵法、乙烯水化法、煤化工、合成气直接制乙醇的方法。但是传统的发酵法耗时长，且效率低；而乙烯水化法、煤化工、合成气直接制乙醇等方法存在着较高的成本。而工业上丙醇多通过丙烯在高温高压下进行水合反应制得，但该方法丙烯单程转化率较低，生产成本相对较高。

CO₂是化石燃料燃烧的直接产物，在地球上的储量极为丰富。而人类社会的不断发展，导致化石燃料的使用量急剧增加，大气中的CO₂含量日益增加，这不仅加剧了温室效应，也造成了巨大的碳资源浪费。将CO₂催化转化为高附加值的乙醇和丙醇是CO₂资源化利用的重要技术手段之一，对于解决当今人类社会面临的气候变化与能源危机两大新挑战具有重要的意义。

目前所报道的非均相催化CO₂加氢制乙醇、丙醇的反应体系较少。王亮等人以CoAlO_x为催化剂，在100℃、4MPa的反应条件下将CO₂转化为乙醇、丙醇等产物，CO₂转化率为28.9％，乙醇在液体醇类产物中的选择性为62.7％，但在总产物中的选择性仅为2.82％(CN108380216A)；Zhenhong He等人以 Pt/Co₃O₄为催化剂，在DMI和H₂O的混合溶剂中，在200℃、8MPa的反应条件下，将CO₂转化为C²⁺醇类物质，其中乙醇、丙醇在液体醇类产物中的选择性为分别为29％和5.2％，但在总产物中的选择性不足11.3％(Angew.Chem.Int. Ed.，2016，55，737-741)；Shuxing Bai等人以负载在P25上的Pd-Cu为双金属催化剂，在200℃将CO₂转化为乙醇，乙醇在液体醇类产物中的选择性最高达到92％(J.Am.Chem.Soc.，2017，139，6827-6830)。

现阶段，在非均相催化CO₂催化加氢制乙醇、丙醇的工艺中，尽管乙醇、丙醇在液体醇类产物中的选择性较高，但反应的主产物仍为CO、CH₄或甲醇等 C₁产品，乙醇、丙醇在反应后总产物中的选择性仍较低(20％)。这主要是因为一方面CO₂是化学结构极其稳定的分子，难以实现有效活化；另一方面在CO₂加氢反应过程中，难以在保持C-OH键结构的同时，可控形成C-C键来得到乙醇或丙醇，导致反应后主产物为C1化合物或长链烷烃。目前开发的催化反应体系，仍无法实现CO₂的高转化率以及乙醇、丙醇产物的高选择性。因此将CO₂转化为高附加值的乙醇或丙醇等C²⁺醇类物质仍然有着巨大的挑战。

发明内容