Co-Ce双金属负载EDTA改性ZSM-5@活性炭催化剂的焦油提质与抗结焦性能研究

为解决褐煤热解过程中重质焦油黏度高、热值低等问题，研究人员开发了EDTA螯合ZSM-5与活性炭复合载体负载Co-Ce双金属催化剂（CoCe/C@EZ5）。研究表明，该催化剂可将高价值BTEXN芳烃产率提升47.17%，并通过调控表面酸性位点与金属分散性显著降低结焦率，为煤清洁利用提供了创新解决方案。

　　

煤炭作为传统能源的重要组成部分，其热解技术一直被视为实现清洁高效利用的关键路径。然而，褐煤热解过程中产生的重质焦油却像一块难啃的"硬骨头"——不仅黏稠难处理，还含有大量低价值组分，严重制约着热解产物的商业化应用。更令人头疼的是，传统催化剂在反应过程中容易因积碳失活，就像被焦油"糊住了嘴巴"，无法持续发挥催化作用。这些技术瓶颈使得煤热解技术多年来难以实现大规模工业应用。

针对这一难题，中国科研团队创新性地将两种明星材料——ZSM-5分子筛和活性炭"强强联合"，设计出具有特殊结构的复合催化剂。研究人员首先用乙二胺四乙酸（EDTA）对ZSM-5进行"美容手术"，通过温和的酸处理在保持晶体结构完整的同时，巧妙地"雕刻"出更多介孔结构。这种改性后的ZSM-5与活性炭以1:1比例复合，再搭载上钴（Co）和铈（Ce）这对"黄金搭档"金属，最终打造出性能卓越的CoCe/C@EZ5催化剂。

这项发表在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》的研究采用了多项先进技术手段：通过热重-红外联用（TG-FTIR）和热解-气相色谱/质谱（Py-GC/MS）分析焦油和气体产物；借助扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）等表征催化剂形貌；运用X射线光电子能谱（XPS）和氨程序升温脱附（NH₃-TPD）研究表面性质；并采用程序升温氧化（TPO）和拉曼光谱评估积碳特性。实验所用煤样来自中国内蒙古锡林浩特北部的胜利煤田。

催化剂表征揭示设计奥秘

电子显微镜图像清晰展示了EDTA处理对ZSM-5的"整形效果"——原始ZSM-5具有规则多面体形貌，而改性后表面出现明显刻蚀痕迹和碎片，形成丰富的介孔结构。这种"伤痕美学"反而为反应物提供了更多通道。活性炭的加入则像"海绵"一样，通过其分级孔结构吸附并分散积碳前驱体，表面含氧基团（如羧基和酚羟基）还能与金属形成配位键，提高分散稳定性。

催化性能突破

在固定床催化热解实验中，CoCe/C@EZ5展现出惊人的"点石成金"能力：将高价值BTEXN（苯、甲苯、乙苯、二甲苯和萘）的产率提升47.17%，堪称焦油"提质大师"。动力学研究显示，该催化剂将焦油裂解活化能降低了约15%，就像为反应"铺了一条下坡路"，使重质组分更易转化为轻质芳烃。

抗结焦机制解密

通过TPO和拉曼光谱分析发现，Co-Ce双金属与载体的协同作用形成了独特的"抗结焦防护网"：Co物种主要促进脱氧反应，而Ce物种则像"清道夫"一样帮助氧化去除积碳。活性炭组分不仅提供物理屏障阻止积碳堆积，其表面官能团还能稳定金属颗粒，使催化剂在反应100小时后仍保持80%以上活性。

这项研究为煤热解技术提供了三重创新：首创EDTA-ZSM-5与活性炭复合载体设计；阐明Co-Ce双金属协同作用机制；开发出兼具高活性和长寿命的催化剂体系。这些突破不仅为煤炭清洁利用开辟了新路径，其设计理念也可拓展至生物质转化等领域。正如研究人员指出，该催化剂就像一位"全能选手"，既能高效转化焦油，又具备出色的"自清洁"能力，为工业化应用奠定了坚实基础。