吴秀英
中国科学院大连化学物理研究所
摘要(Abstract)：
高碳醇作为一类重要的脂肪族含氧有机化合物，在表面活性剂、增塑剂、润滑剂、洗涤剂、化妆品以及精细化工中间体等领域具有不可替代的应用价值。随着我国高端精细化工行业快速发展，市场对高碳醇产品的需求持续增长，其高效、绿色、低成本合成技术已成为催化与能源化工领域的研究热点。合成气（CO 与 H₂的混合气）作为煤炭、天然气、生物质等多种含碳资源转化的关键平台分子，通过催化转化直接制备高碳醇，具有原料来源广泛、工艺流程短、原子经济性高等优势，是替代传统石油路线与油脂加氢路线的重要发展方向。在众多可用于合成气制高碳醇的催化体系中，负载型钌基催化剂因具有温和条件下 CO 解离与非解离吸附协同、碳链增长能力适中、高碳醇选择性较高等特点，逐渐成为该领域极具潜力的催化体系。然而，目前针对负载型钌基催化剂上合成气制高碳醇的本征动力学研究仍较为缺乏，反应机理尚不清晰，动力学模型适用性有限，难以满足反应器设计、工艺优化与工业放大的理论需求。本文以负载型钌基催化剂为研究对象，系统开展合成气制高碳醇的本征动力学研究。通过调控载体种类、钌负载量、制备条件与后处理工艺，制备一系列结构与性质可控的钌基催化剂；采用 XRD、TEM、BET、H₂-TPR、CO-TPD、XPS 等多种表征手段，系统分析催化剂的晶体结构、形貌、粒径分布、比表面积、孔结构、还原行为、吸附性能与表面电子性质，揭示催化剂结构与催化性能之间的构效关系。在排除内、外扩散影响的本征动力学实验条件下，利用固定床反应器系统考察反应温度、系统压力、合成气氢碳比、质量空速等关键条件对 CO 转化率、高碳醇选择性、产物分布及反应速率的影响。基于实验结果与文献报道，提出符合实际反应过程的反应机理，明确 CO 吸附、活化、碳链增长、加氢生成高碳醇等关键基元步骤，构建包含关键中间体覆盖度与表面反应速率的本征动力学模型。通过非线性最小二乘法对模型参数进行拟合与估计，完成模型显著性检验与适用性验证，获得反应速率方程、反应级数、表观活化能等关键动力学参数。研究结果表明，所制备的负载型钌基催化剂具有适中的金属粒径、较高的金属分散度与丰富的表面活性位点，能够在温和条件下实现 CO 高效转化与高碳醇高选择性合成。本征动力学研究证实，合成气制高碳醇过程中，CO 吸附活化为速率控制步骤，碳链增长与加氢反应呈现明显的协同竞争关系。所建立的本征动力学模型能够较好地描述不同反应条件下反应速率的变化规律，模型计算值与实验值吻合度高，残差分布均匀，具有良好的预测能力与可靠性。通过动力学分析明确了反应温度、总压、氢碳比对反应速率与产物分布的影响机制，为合成气制高碳醇反应工艺优化、催化剂设计与反应器模拟提供了坚实的理论依据。本文研究成果不仅丰富了合成气转化催化动力学理论，也为推动高碳醇合成技术工业化应用提供了重要支撑。
关键词(KeyWords)：
合成气；高碳醇；负载型钌基催化剂；本征动力学；反应机理；动力学模型
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