ChemCatChem：利用Ce对ZnCr催化剂进行改性用于高效催化CO加氢制备异丁醇

中国科学院山西煤炭化学研究所王立言博士、谭猗生研究员课题组采用稀土元素Ce对ZnCr催化剂进行改性，并用于催化CO加氢制备异丁醇。Ce的修饰显著提高了催化剂中氧空位的浓度，促进了中间体甲酸盐的生成和后续碳链增长过程，进而有效提高了异丁醇的收率。

异丁醇作为一种基本的化工原料，用途非常广泛，它可以作为高级溶剂提纯稀土元素，还可以用作原料生产涂料和精细化学品等。2010年，异丁醇被列入美国环保署燃料添加剂目录，进一步拓展了异丁醇的应用市场。合成气来源广泛，如煤、天然气、焦炉煤气、钢厂尾气等，催化转化合成气制备化学品不仅为煤炭清洁高效利用提供新的思路，同时也为企业减排增益提供了新的途径。因此，以合成气制备附加值较高的异丁醇具有重要的经济价值。研究者在ZnCr基催化剂上合成气制备异丁醇方面开展了较多的工作，但是该体系活性较低、目标产物异丁醇选择性偏低，因此，设计兼具高活性和高选择性的CO加氢制异丁醇催化剂仍存在一定的挑战。

近期， 中国科学院山西煤炭化学研究所王立言博士、谭猗生研究员课题组设计合成了Ce改性的ZnCr催化剂。通过调节Ce助剂的含量，不仅实现了较高的总醇收率和选择性，同时实现了对醇产物中甲醇和异丁醇选择性的有效调变。当Ce助剂的含量为Ce/Zn=2.5%时，所制备的2.5-Ce/ZC催化剂表现出最佳的催化性能。其中，CO转化率为22.8%，总醇的选择性和收率显著提高，分别为55.9% 和132.1 g L_cat^-1 h^-1，同时异丁醇在醇中的选择性提高到28.0%。通过XPS、TPD和in situ DRIFTS等表征发现，适量Ce助剂的作用主要有以下三点：（1）增加了催化剂表面的活性位。通过Ce进入ZnCr晶格以及Ce⁴⁺到Ce³⁺的电子转移，催化剂中氧空位的浓度明显增加，这有利于CO的吸附和活化；（2）促进了中间体的生成。Ce助剂促进了催化剂表面甲酸盐中间体的生成和稳定；（3）改善了催化剂表面的酸碱性质。通过调控催化剂表面的中强酸位点，加快了甲酸盐和吸附态CO到C2中间体的生成。因此Ce助剂的引入有效抑制了产物中甲烷和CO2的生成，提高了总醇和异丁醇选择性。该工作为CO的高效转化和异丁醇的绿色合成提供了一条可行的路线。

论文信息

Direct Conversion Syngas to Isobutanol over Ce/ZC Catalysts: Effect of Ce Promoter on the Catalytic Performance

Liyan Wang, Tao Zhang, Jiaqian Yang, Nana Gong, Prof. Qingxiang Ma, Dr. Yingquan Wu, Prof. Yisheng Tan

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DOI: 10.1002/cctc.202101892

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