[发明专利]一种Fe基金属有机骨架材料衍生催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明属于化学催化技术领域，尤其涉及一种Fe基金属有机骨架材料衍生催化剂及其制备方法和应用。本发明提供的催化剂由Fe基金属有机骨架材料依次经过过渡金属离子负载、碳化和Na离子负载后制成；所述过渡金属离子包括Co离子、Mn离子、Zn离子和Cu离子中的一种或多种。本发明通过将Fe‑MOFs与不同的金属活性组分结合，获得了可用于CO₂催化加氢制乙醇的高性能催化剂，该催化剂制备简单，成本低廉，可实现CO₂一步催化加氢高选择性合成乙醇。本发明开辟了一条新的CO₂加氢制乙醇催化反应路径，具有较高的经济价值和社会效益。

技术领域

本发明属于化学催化技术领域，尤其涉及一种Fe基金属有机骨架材料衍生催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

现代社会中的能源生产通常采用化石燃料，而这些化石燃料长期以煤、石油和天然气等形式储存在地壳中，并维持自然界天然碳循环。随着世界人口的增加以及化石燃料的短缺，引起碳循环发生变化及大气中CO₂浓度增加等问题。人类进行工业革命以前，地球的碳排放和CO₂气体的储存是维持在动态平衡中，但随着能源的消耗和CO₂气体排放量的增加，导致原本的碳平衡失衡。同时引起了一系列资源短缺和全球气候变化等问题，其严重影响到了地球周围生物的多样性及人类可持续发展。2014年全球年度CO₂排放量为39250公吨，其中化石燃料排放源约占人类排放量的91％。

目前我们面临的环境问题包括资源短缺和生态破坏问题，而CO₂具有丰富的碳资源，也是很多化工原料的源头且廉价易得。若能借助替代能源电解生成的氢气(H₂)将CO₂催化转化为高附加值化学品，对于缓解全球变暖、改善生态环境和解决化石资源日益枯竭的难题具有重要的意义。目前CO₂的转化研究处于初步阶段，而通过加氢反应合成C₂₊碳氢化合物，尤其是辛烷值较高的乙醇愈来愈引起大家的研究兴趣。

乙醇能与水及大多数有机化合物混溶，也是重要的化学品及清洁能源，具有较大的应用前景。如：可替代汽油等化石燃料，改善能源结构；可作为燃料氧化的增氧剂，提高燃烧过程中的含氧量，降低CO、CH_x等气体污染物排放；可作为反应原料，用于低碳烯烃、芳香烃等基础化学品的合成等。早期，乙醇只能通过发酵法合成，其主要以糖类和淀粉为原料经发酵获得，该方法耗时较长且效率低。乙烯水化法是以石油裂解的乙烯为原料合成，但随着化石能源的减少，该工艺流程不宜大规模应用，同时煤化工、合成气直接制乙醇等方法存在较高的成本。CO₂催化转化乙醇被认为是目前最有前景的途径之一，不仅可降低大气中CO₂的浓度，也可以缓解碳平衡失衡和全球温室效应等问题，无疑具有广阔的应用前景。此外，针对目前炼厂、燃煤发电厂等高排放CO₂单位面临的节能减排困境，以炼厂所产富氢尾气为氢源的CO₂加氢合成乙醇技术，在经济上是一条可行的路线，同时更具有重要的环境和战略意义。

乙醇具有高热值、可直接加入汽油改善油品的性能和质量等优点，CO2催化加氢制低碳醇是CO₂转化利用的有效途径之一。相比于合成CH₄、CO、MeOH，需要催化剂具备双金属活性位点来完成C-C链增长和CO₂部分还原的CO₂催化加氢制备乙醇的工艺更具挑战性。从热力学角度分析，由于CO₂催化加氢制乙醇是气体分子减小的放热反应，所以一般高压低温有利于反应的正向进行，而CO₂分子的活化需要在较高的温度进行，所以恰当的反应条件是十分重要的。