A comparative study on the CO2 hydrogenation activity of K-promoted Fe-K/Al and Co-K/Al catalysts

Abstract

In this study, Fe-K/Al and Co-K/Al catalysts were prepared using the wet impregnation method, and their catalytic activity and properties were compared for the hydrogenation of carbon dioxide. The CO₂ hydrogenation reaction was conducted in a fixed-bed steel reactor under conditions of 350°C, 0.3 MPa pressure, and a gas hourly space velocity (GHSV) of 3000 h⁻¹, using a reaction gas mixture of H₂:CO₂ = 3:1. The catalyst bed was extended by mixing 1 g of catalyst with 4 g of inert SiC. The reaction products were analyzed using a YL-GC6100 gas chromatograph, while heavier hydrocarbons collected in the cold trap were analyzed with an HP-6890N gas chromatograph. X-ray diffraction (XRD) analysis of the catalysts after the reaction showed that the crystallite sizes of Fe₃O₄ and CoO were 15.1 nm and 17.5 nm, respectively, with no inactive phases detected. Compared to Fe-K/ Al, the Co-K/Al catalyst showed 24% higher CO₂ conversion, 19% higher methane yield, and 6% higher C₂-C₄ hydrocarbon yield, while the byproduct CO yield was 24% lower. The Co-K/Al catalyst showed a high selectivity of 90% towards paraffinic hydrocarbons (methane, ethane, propane, and butane), whereas the Fe-K/Al catalyst showed 45.1% selectivity towards olefinic hydrocarbons (ethylene, propylene, and butene), indicating a greater preference for olefin formation. The reduction behavior of the catalysts was examined using H₂-temperature-programmed reduction (H₂-TPR) analysis. The Co-K/Al catalyst exhibited α and β-type oxide reduction peaks, while the Fe-K/Al catalyst underwent a stepwise reduction process involving four distinct stages. The formation of different active sites (CoO, Fe₃O₄) in the catalysts during the reduction process was identified as the key factor influencing product selectivity and yield.

К нэмэлт идэвхжүүлэгчтэй Fe-К/Al болон Co-К/Al катализаторуудын нүүрсхүчлийн хийг гидрогенжүүлэх идэвхийг харьцуулсан судалгаа

Хураангуй: Энэхүү судалгааны ажлаар Fe-K/Al болон Co-K/Al катализаторыг нүх сүвэнд шингээх аргаар бэлтгэж, нүүрсхүчлийн хийн гидрогенжуулалтын урвалын идэвх болон катализаторын шинж чанарыг харьцуулан судлав. CO₂-ийн гидрогенжуулалтын урвалыг 350°C температурт, 0.3 мПа даралтанд, 3000 цаг^-1 эзлэхүүн хурдтай нөхцөлд, H₂:CO₂ = 3:1 молийн харьцаатай урвалж хийн нөхцөлд явуулсан. Катализаторуудыг жингийн 1 г кат : 4 г харьцаатай инерт SiC-тай хольж, хөдөлгөөнгүй үет ган реакторт туршсан. Урвалын бүтээгдэхүүн хийг YL-GC6100 хийн хроматографиар, харин хүйтэн хүлээн авагчид үлдсэн хүнд нүүрсустөрөгчдийг HP-6890N хийн хроматографийн багажаар шинжлэв. Рентген дифракцийн шинжилгээгээр урвалын дараа катализатор дахь Fe₃O₄, болон CoO талстын хэмжээ тус тус 15.1, 17.5 нм байсан бөгөөд катализаторт ямар нэгэн идэвхигүй нэгдэл илрээгүй. CO2 гидрогенжуулалтын урвалд Fe-K/Al катализатортай харьцуулахад Co-K/Al катализаторын CO₂ хувирлын зэрэг нь 24%-иар, метаны гарц 19%-иар, C₂-C₄ нүүрсустөрөгч гарц 6%- иар тус тус их байсан бол дайвар бүтээгдэхүүн CO гарц 24%-иар бага байв. Co-K/Al катализаторын парафины нүүрсустөрөгчидийн сонгомол чанар 90% буюу парафиныг (метан, этан, пропан, бутан) илүү сонгомол үүсгэдэг бол Fe-K/Al катализаторын олефины нүүрсустөрөгчдийн сонгомол чанар 45.1% буюу Co-K/Al катализатортай харьцуулбал олефины нүүрсустөрөгчдийг (этен, пропен, бутен) илүү сонгомол үүсгэдэг болохыг тогтоосон. Катализаторын ангижрах шинж чанарыг устөрөгчийн температурын программтай ангижруулалтын шинжилгээгээр судалсан үр дүнгээс үзэхэд Co-K/Al катализаторын хувьд α, β төрлийн оксид агуулж байсан бол Fe-K/Al катализаторын хувьд шат дараалсан ангижралт явагдсан байна. Ангижруулалтын үед катализаторуудад ялгаатай идэвхийн төв (CoO, Fe₃O₄) үүссэн нь бүтээгдэхүүний сонгомол чанар, гарцад нөлөөлөх гол хүчин зүйл болов.

Түлхүүр үг: Фишер-Тропшийн синтез, нүх сүвэнд шингээх арга, кобальт, төмөр, металл идэвхжүүлэгч