1 緒論
1.1 引言
從上世紀後期到本世紀初，環境問題日益凸顯，在眾多環境問題中最令公眾關注的就是全球氣候變暖，即溫室效應[1-3]。CO2是造成溫室效應的主要氣體，如何抑制全球變暖並對CO2進行資源化利用引起了世界各國的普遍關注，對其的研究也不斷地深入。CO2是重要的碳源，利用CO2催化加氫合成甲醇是二氧化碳的化學固定方法之一，受到國內外化學工作者的廣泛關注，並取得了一系列的研究成果[4-7]。甲醇是重要的C1化工產品同時也是重要的化工原料，主要應用於甲醛、醋酸、甲酸甲酯等有機產品的生產，它們是生產藥品、染料、香料和塗料的原料，同時甲醇也是一種新型的清潔燃料，可以單獨或者與汽油混合作為汽車燃料。CO2代替CO加氫合成甲醇的研究已經成為合成甲醇催化反應過程中重要的研究領域，在化學工業和環境保護領域有著優良的應用前景，對緩解溫室效應具有很重要的現實意義。二十一世紀如何對溫室氣體進行控制以及資源化利用已成為大氣汙染控制的新焦點，其中CO2加氫催化合成甲醇技術備受關注。
1.2甲醇的各種用途
甲醇化分子式為CH3OH，相對分子質量為32.04，它是最簡單的化學品之一。甲醇的應用非常廣泛，是一種重要的有機化工原料，主要應用於有機合成、醫藥、農藥、塗料、汽車、國防工業等行業中，在國民經濟的發展中起著越來越重要的作用。
1.2.1甲醇用作有機化工原料
甲醇的需求量在近年來增長平穩，在傳統的應用領域中，甲醇主要用於甲醛的生產。甲醛可以用來生產木材加工業的膠粘劑，其次用作膜塑料、塗料、紡織物、紙張的處理劑。在新的應用領域，甲醇還可以作為醋酸、甲丙基烯酸甲酯、MTBE、縮酸樹脂以及特種化學品1,4-丁二醇的生產，這些有機產品的增長速度很快，但不會明顯改變甲醛目前的總體需求狀況[8]。
隨著C1化工得到長足發展，甲醇作為原材料在合成乙二醇、乙醛和乙醇等工藝方面受到重視。甲醇做為原料在農藥、醫藥、染料和合成纖維的工業生產中也有著重要的地位，甲醇還可以通過生物發酵製取甲醇蛋白，在飼料生產中用作添加劑。甲醇作為重要的化工原料，在有機合成方面有著廣闊的應用前景。
1.2.2 甲醇用作混合燃料
甲醇是重要的有機化工原料，還可以作為車用燃料和能源，而且性能優良。在尋找汽油的替代燃料過程中，醇醚類燃料具有很大的應用潛力和發展前景。甲醇和二甲醚可以按照一定比例配製成醇醚燃料，這種新型燃料燃燒率和熱效率均高於液化氣，該燃料還克服了甲醇燃料的各種缺點。
可以將甲醇直接摻入汽油作為甲醇-汽油燃料,而且對於甲醇摻入汽油的混合燃料，低濃度甲醇混合燃料已經得到廣泛的商業應用。由於受到甲醇燃燒性能的限制，對汽油發動機進行合理改造使其達到最佳性能是今後甲醇-汽油燃料的研究發展趨勢[9]。
和汽油發動機一樣，為了能在柴油機上使用甲醇燃料，人們希望配製成甲醇-柴油混合燃料以便在柴油機上使用。由於甲醇幾乎不溶於柴油，必須加入足夠的助溶劑才能提高燃料的混合度。因此混合燃料的配製和柴油機的改造引起了各國的重視，我國已經開始重視這方面的研究和示範工作[10]。
1.2.3甲醇用作燃料電池原料
甲醇易於和水蒸氣重整轉化為氫，常態下為液體，便於貯存和運輸，有著豐富的來源，是一種理想的用於電動車燃料電池的貯氫介質。由於氫和天然氣不利於貯存和運輸，致使在燃料電池使用方面受到限制，甲醇便被認為是最好的氫轉化介質，因此甲醇作為燃料電池的燃料受到很大重視。
除了以甲醇通過水蒸氣重整制氫作為燃料電池的原料外，還有直接以甲醇為燃料的燃料電池也正在研究和開發中。前者稱為間接式甲醇燃料電池，後者稱為直接式燃料電池。各國相繼對甲醇燃料電池進行深入的研究，說明甲醇燃料電池在未來的重要性與可行性，甲醇是最有前途的潔淨燃料[11-12]。
1.3加氫合成甲醇催化劑體系
甲醇作為現代化工工業中最重要的化工原料之一，甲醇工業的發展依賴於催化劑的研發及其相應的操作條件，因此不同的甲醇生產工藝就有不同的催化劑以及相應的反應器來實現。早期的合成甲醇工業催化劑是鋅鉻(Zn/Cr)催化劑，由德國BASF公司於1923年首先開發成功。但鋅鉻(Zn/Cr)催化劑反應活性低，需在高溫高壓的操作條件下反應，催化劑的耐熱性、抗毒性、機械性能才能令人滿意。自二十世紀60年代開始，英國的ICI公司和德國的Lurgi公司相繼研製出銅基催化劑後，世界上幾乎所有的甲醇合成廠家都在使用銅基催化劑。鋅鉻催化劑逐漸被淘汰，銅基催化劑逐步成為合成甲醇工業的主導催化劑。我國的合成甲醇催化劑研究始於二十世紀60年代末期，先後開發出了C207、C301、C302、C302-1、NC-501、NC-306等合成甲醇催化劑。隨著國內外的合成甲醇催化劑的不斷更新換代，合成甲醇催化劑的研究朝著低溫低壓、低能耗、高活性、高選擇性、高熱穩定性和高機械強度的方向發展[13]。目前，合成甲醇催化劑有三大類：銅系催化劑、非銅系催化劑以及低溫液相甲醇合成催化劑。
1.3.1銅系催化劑
自銅基催化劑問世以來，銅基催化劑在各國得到了廣泛的研究和應用。目前國內外各界主要研究的是銅基催化劑，其主要活性組分體系為CuO/ZnO、CuO/ZnO /A1、CuO/ZnO/Zr，以及以這些體系為基礎添加不同助劑和不同載體進行研究。目前所使用的比較成熟的工業甲醇合成催化劑是從這個基礎上發展改進而來的。
英國ICI公司於1966年開發的51-1型甲醇合成催化劑，主要組分為Cu/Zn/Al，適合在低溫低壓下操作，使生產工藝得到很大的改善，降低了能耗。隨後該公司又開發了一系列Cu/Zn/Al低壓甲醇合成催化劑，都表現出活性極高，穩定性好，使用壽命長的特點[14]。德國BASF公司先後開發的S3-85、S3-86型催化劑，能用於4.6~10.0MPa的壓力和200~300℃溫度範圍內反應。整個反應過程能降低副產物的產生，表現出很高的活性和選擇性，抗毒性能力強。該公司[15]報導的另一種新型催化劑的製備方法，有著含銅量低、活性高、穩定性好、抗逆水煤氣的特點。德國Lurgi化學公司[16]是比較著名的合成甲醇催化劑研發公司之一，擁有著LG-104、C79-4GL、C79-5GL、C79-6GL等合成甲醇催化劑產品。該公司新研發的C79-5GL型催化劑，採用膠態形式的A12O3或A1(OH)3作原料，通過改變A12O3組分調整催化劑的孔結構。在富含CO2的合成氣合成甲醇的反應條件下，有很好的活性和熱穩定性。
我國近年來在研究合成甲醇銅基催化劑方面也取得一定的成效，主要有西南化工研究設計院、西北化工研究院、南化集團研究院、山西煤化所等科研單位，開發出了一系可以廣泛應用於不同原料氣的低壓合成甲醇工業催化劑和生產工藝。南化集團研究院研發的C207型聯醇催化劑，一度佔據著國內催化劑的主要市場，另一產品C301型催化劑，則壟斷著國內的中高壓甲醇生產市場。該院製備的C306型[17]催化劑，在低溫低壓高空速下反應，可獲得很高的產率。西北化工研究院採用兩步沉澱法製備的LC308型[18]催化劑，使用溫度範圍較寬，反應活性高，穩定性好，粗甲醇中甲醇含量達80%左右，有機雜質含量符合甲醇質量標準，在國內達到領先水平。山西煤化所研究了採用並流共沉澱法製備Cu/La2O3/MnO2/ ZrO2合成甲醇催化劑[19]，具有低溫高活性的特點，在230℃，6MPa，3000h-1空速的工藝條件下，CO2轉化率達到58.1%，甲醇選擇性為達到97.8%。
目前對合成甲醇工業催化劑的研究和應用已經很成熟，許多研究人員轉向對催化劑的製備方法、載體的加入以及添加助劑對合成甲醇催化劑進行深入研究，以期在CO2轉化率、甲醇的選擇性、熱穩定性、增強催化劑的使用壽命、耐熱抗毒能力方面取得更大突破。近年來有許多新的研究成果相繼被報導出來。
叢昱等[20,21]採用溶膠-凝膠法、共沉澱法和共沸蒸餾法製備了一系列不同粒度範圍的超細Cu-ZnO-ZrO2催化劑，結果表明該系列催化劑具有粒度小、顆粒分布均勻和穩定性好、催化活性更高的特點，且ZrO2起到穩定反應活性中心的作用。郭曉明等[22]採用檸檬酸燃燒法製備了Cu-ZnO-ZrO2催化劑，通過各種表徵技術發現該方法是一種簡單快速且有效的製備方法，且具有更好的工藝可控性。莊會棟等[23]通過對分步沉澱法、浸漬沉澱法和固態反應法製備的CuO/ZrO2催化劑的比較，得出Cu與ZrO2相互作用的強弱直接影響CO2加氫合成甲醇反應性能的優劣，而催化劑的比表面積不是影響反應性能的主導因素的結論。Inui[24]採用均勻成膠法製備了Cu/Zn/Al2O3催化劑，通過活性評價系統評價了催化劑的CO2加氫合成甲醇反應性能，發現該法製備的催化劑甲醇選擇性較高。Hong[25]等採用溶膠-凝膠-共沉澱法製備了CuO/ZnO/Al2O3催化劑，經表徵後發現該催化劑Cu晶粒小和活性表面大，在2.0MPa，240℃的反應條件下，有較高的催化活性和很好的甲醇選擇性。Kiyomi Okabe[26]等經過研究使用烷基化合物的方法製備了以SiO2為載體的Cu-Zn/SiO2催化劑，在220℃、3MPa和100cm3·min-1的反應條件下，甲醇的選擇性高於90%，且催化劑的熱穩定性能較好。安欣等[27]採用了特殊的共沉澱法製備了一種高活性的Cu/Zn/Al2O3納米纖維催化劑，與商業催化劑相比，該催化劑在CO加氫合成甲醇、CO2加氫合成甲醇反應中CO轉化率、CO2轉化率、甲醇的選擇性和時空產率均提高很多。
Sun[28-29]等採用Sol-Gel法、超臨界乾燥法製備了超細Cu/ZrO2催化劑，發現製備的催化劑對CO加氫合成甲醇有著良好的反應活性和穩定性。Huang[30]等以CuO和ZnO為原料，在空氣中和真空狀態下用球磨法分別製備了Cu/ZnO催化劑，通過活性測試發現其活性優於傳統共沉澱法製備的催化劑。Bianchi[31]等採用氣凝膠法製備不同組分的Cu/ZrO2、Cu/ZnO/ZrO2等一系列催化劑，研究了這些催化劑CO加氫、CO2加氫合成甲醇的催化活性，並研究了各物種在催化劑表面的吸附行為和反應機理。
黃樹鵬等[32]通過ZrO2、Ag2O、La2O3、MnO、CeO2、Fe2O3助劑對CuO/ZnO/Al2O3催化劑進行改性研究，認為Ag2O、ZrO2含量在2%~3%(摩爾分數)時，反應時CO2轉化率、甲醇選擇性和產率最佳。劉志銘[33]等用一種金屬Co修飾多壁碳納米管基複合材料作為促進劑，製備出的催化劑具有很高的反應活性，有適用前景。林明桂等[34]考察了錳和鑭助劑對Cu/ZrO2催化劑上CO加氫合成甲醇反應性能的影響，認為鑭助劑的引入進一步增強了銅鋯在界面的相互作用，穩定了催化劑的活性中心，有利於吸附物種在兩者之間發生溢流。原欣亮等[35]研究了稀土助劑 Sm2O3的添加方式對Cu/Mn/Zr/Ni催化劑結構的影響，發現稀土助劑Sm2O3對催化劑有一定的電子改性作用，改變了催化劑表面的吸附行為，使催化劑具有很好的合成醇性能。
徐徵等[36]也考察了第三組分ZrO2的加入對Cu/ZnO催化劑性能的影響，結果表明適量ZrO2的加入，增加了甲醇的選擇性和收率。實驗還發現Cu/ZnO上CO2的脫附溫度在500℃以上，加入ZrO2後脫附溫度降至200~300℃，即ZrO2的加入改變了Cu/ZnO催化劑表面吸附CO2的狀態，提高了催化劑表面CO2加氫合成甲醇的能力。孫琦等[37-38]分別採用草酸鹽凝膠共沉澱法和快速燃燒法製備了超細Cu/Zn/Al催化劑，前者製備的催化劑比傳統硝酸鹽共沉澱法製備的催化劑相比有著表面積大和活性更高的優點，後者製備的催化劑具有製備快速、操作簡單、無組分損失和無外來雜質的優點。
Liu等[39]將介孔納米二氧化鋯作為載體引入合成甲醇催化劑中，改變了催化劑的物化性質，製備的催化劑有納米尺度，降低了還原溫度，其反應活性和甲醇選擇性更優。朱毅青、林西平等[40-41]還採用溶膠-凝膠法製備了用於CO2加氫合成甲醇超細Cu/ZnO/SiO2/ZrO2催化劑，該催化劑具有Cu顆粒度小、比表面積大、孔徑分布均一的特點，從而表現出較高的活性和甲醇選擇性。Rhodes等[42-43]研究了Cu/ZrO2催化劑中氧化鋯晶相對催化劑的活性和選擇性的影響，發現m-ZrO2中的氧空穴，促進了甲酸鹽的形成，提供了活化氫和儲存位置，ZrO2表面Cu含量增多，催化劑活性提高。
Park [44]和Larsson[46]等通過研究發現CeO2是銅基催化劑的優良助劑，具有儲氧和釋放氧的能力，還能促進Cu金屬的表面分散度和降低Cu離子價態[47]等特點。Chen等[47]通過加入Mn助劑到Cu/Zn/Al2O3催化劑中，發現MnOx提高了催化活性，認為是MnOx調節Cu+/Cu0的比例，增加了活性中心，提高Cu2+還原難度。王仁國等[48]採用XPS等表徵手段研究了Fe、V助劑的加入對CuO/Al2O3催化劑的結構及反應性能的影響，發現Fe、V助劑的加入增加了室溫下被氧化的銅物種的表面濃度，提高了催化劑的低溫活性。
劉源等[49]發現適量的鹼土金屬鉀助劑可以顯著提高Cu/ZrO2催化劑對CO/H2合成甲醇的活性，通過XPS和TPR表徵顯示，鉀呈現出給電子效應狀態。Fröhlich等[50]研究了以Ag為助劑對Cu/ZrO2催化劑進行改性，通過對比顯示，Ag提高了甲醇選擇性，但是Ag2O的分解使Cu/ZrO2催化劑的易受焙燒溫度影響。而Weigel等[51]通過研究認為Ag為助劑的存在使Cu/ZrO2催化劑的表面增加了諸如甲醛或甲氧化物等中間物種的形成。
1.3.2 非銅系催化劑
非銅基催化劑大都是以Pd、Au、Mo、Co、Ni、Rh、Pt等為催化劑主要活性組分。王進等[52]研究了新型的多壁碳納米管負載的ZnO助催化的銠基甲醇合成催化劑，表徵結果顯示，碳納米管能增加Rh在催化劑表面的分散度，提高催化劑的還原溫度並能增加氫物種的吸附量。Andras等[53]考察了壓力和Pd的分散度對負載型Pd催化劑上CO2加氫合成甲醇性能的影響，發現在實驗考察的溫度範圍內，當壓力大於0.95 MPa時能生成甲醇；常壓時，低分散度的Pd主要發生逆水煤氣反應。Baltanas[54]等考察Ga2O3-Pd/SiO2催化劑上CO2加氫合成甲醇的反應活性，研究結果認為，Pd和Ga的相似功能及Pdo的氫溢流效應對CO2加氫合成甲醇起促進作用。
Novak等[55]研究了還原溫度對Rh/SiO2催化劑上CO2加氫合成甲醇反應活性的影響。發現在533K下還原Rh/SiO2催化劑時，反應產物主要為CH4，當升高還原溫度到673 K時，甲醇的選擇性提高很多，但是CO2的轉化率則降低了。Iwasa等[56]採用浸漬製備法將一定量的Pd(NO3)2水溶液負載在如ZnO、Ga2O3、In2O3、SiO2、MgO、CeO2、ZrO2載體上，考察了這些催化劑的的反應活性。研究發現，Pd/ZnO的催化活性最高，通過XRD表徵等手段，甲醇的產生與Pd/Zn合金相的存在有密切的關係。Alvaro Calafat等人[57]採用共沉澱法製備了β-CoMoO4/K催化劑，在H2/CO2為1、壓力為3MPa、反應溫度為250℃、空速為1200-1的反應條件下，CO2的轉化率可以達到4.7%，甲醇選擇性達64.6%。
1.3.3液相甲醇合成催化劑
氣-液合成法是利用熱容量大的液相溶劑來解決反應熱的吸收和移出問題，是近年合成甲醇技術的新熱點。甲醇合成反應是放熱反應，低溫有利於反應的進行。如果能找到低溫下活性高的催化劑，同時又能移走反應產生的反應熱，那麼將有利於大幅提高CO的轉化率。Christiansen[58]首先提出了兩步法液相合成甲醇的方法，其中包括甲醇的羰基化反應以及甲酸甲酯的氫解反應。自20世紀70年代以來對液相合成甲醇催化劑的研究得到了充分的發展[59-62]。低溫低壓液相合成甲醇催化劑中有鎳系、鈀系、鈷系和釕錸系催化劑，其中鎳系催化劑催化活性最高，轉化率也高。一些經過研究而報導的液相合成甲醇催化劑如下表1-1[63]所示：
表1-1液相低溫低壓合成甲醇催化劑
Table 1-1 Liquid phase at low temperature and low pressure methanol synthesis catalyst
1.4加氫合成甲醇機理
對於加氫合成甲醇的反應機理尚無定論，存在不同的觀點和看法，其中爭論的焦點主要在於合成甲醇反應過程的中間產物、合成甲醇的碳源。加氫合成甲醇的反應機理一般有以下三種基本觀點:
(1) CO加氫合成機理：
早在1932年，Boomer和Morris就提出了CO是甲醇合成的直接碳源，若體系中存在CO2，則CO2需要通過逆水氣變換反應轉化成CO後再與氫氣合成甲醇。
KLier等[64]認為甲醇是由CO加氫而得，通過一系列的動力學研究並建立合成甲醇的動力學模型[65]，提出CO加氫的速度比CO2加氫速度快。後來Atroshchenko[66]則提出了如下的甲醇生成步驟：
但是這種甲醇合成步驟僅僅把CO2看成是CO的額外補充，並沒有給出CO+H2原料氣中加入少量CO2對會對合成甲醇反應產生促進作用的解釋。
(2) CO2加氫合成機理：
隨著人們對CO2直接加氫合成甲醇反應研究的不斷深入，人們開始提出第二種觀點，即CO2與H2直接合成甲醇，不需經由CO中間體。徐徵等[67]通過TPSR-MS手段研究了在CuO/ZnO/ZrO2催化劑上的CO2加氫合成甲醇機理，結果表明，合成碳源是CO2而不是CO，反應的中間體是甲酸鹽。Chinchen等[68]通過研究CuO/ZnO/ A12O3催化劑在工業條件下,以同位素標記的14CO2或14CO為原料氣進行合成甲醇反應，發現甲醇是由CO2加氫得到的。Denisdn等[69]經過研究CuO-ZnO催化劑上的CO2加氫反應後，提出了CO2加氫合成甲醇的反應機理是CO2直接氫合成甲醇，並在實驗中發現了中間物種二羥基絡合物和甲氧基。對於CO2加氫合成甲醇反應機理的確定仍需各國學者不斷努力研究以及檢測技術的不斷進步才能最終得出。
(3) CO2+CO+H2合成機理
CO2和CO同時競爭加氫合成甲醇這種機理逐漸被人們接受，同意這種觀點的學者認為CO2+ H2、CO+H2兩個反應必然同時發生，而逆變換反應則有可能發生，也有可能始終處於或接近平衡狀態。
1.5 銅基催化劑上合成甲醇活性中心
研究合成甲醇催化劑的活性中心對指導新型催化劑的研究有重要意義，目前學術界關於合成甲醇催化劑的活性中心的爭議很大，歸納起來主要有三種觀點：Cu0中心、Cu+中心、Cu0-Cu+中心：
(1) Cu0中心
以ICI為代表的觀點認為，Cu0是低溫低壓甲醇合成催化劑中的唯一有效成分。由於單位Cu表面積的活性與載體無任何關係，所以他們認為載體在其中只起到保持Cu0分散度的結構助劑作用。Burch等[70]經過研究一系列銅基催化劑的反應活性與Cu0表面之間的關係，認為Cu0是合成甲醇反應的活性中心。Fleisch和Mieville[71]等通過XPS技術分析了Cu/ZnO/Al2O3催化劑合成甲醇的過程，雖然Cu+溶入ZnO，但Cu+還不能構成活性中心，Cu0才是主要的活性中心。
(2) Cu+中心
G.Nata認為對於甲醇合成反應，真正起活性中心作用的是氧化態銅，而不是金屬銅。Okamoto等通過XPS檢測得到Cu+表面物種存在的證據，並認為甲醇合成活性與Cu+的存在有一定的相關性。Mol等[72-74]採用浸漬法製備了一系列的Cu/ZnO/Al2O3催化劑，並研究了這些催化劑還原後、反應後等階段的Cu+表面和合成甲醇活性的關係，發現存在一定線性關係，催化劑活性與(Cu-ZnO)相中的銅表面積成正比。並認為Cu+/ZnO構成甲醇合成活性中心，ZnO起到抗燒結的作用。
Ou和Gao等[75]研究了超導材料YBa2Cu3O7催化劑在CO2加氫合成甲醇反應中的應用，考察發現YBa2Cu3O7催化劑在還原之後，只有Cu+和氧空穴存在，吸附在氧空穴上的CO2可以把Cu+氧化為Cu2+，並認為CO2加氫合成甲醇的活性中心是Cu+而不是Cu0。
(3) Cu0-Cu+中心
TPR、XPS等研究技術表明，在低CuO含量的催化劑中，溶在ZnO晶格中的Cu2+被還原成二維表面的Cu0-Cu+層或溶在ZnO晶格中的Cu0-Cu+物種。根據二維CuO的易氧化還原性和Cu+的高度穩定性，Okamoto等人[76]提出了二元Cu/ZnO催化劑中二維Cu0-Cu+物種才是低溫低壓合成甲醇的活性物種。劉豔霞等[77]用TPR和XPS檢測技術研究了隔離劑γ-Al2O3對合成甲醇催化劑的影響，發現隔離劑阻止了Cu進一步還原，使反應態催化劑的Cu+/Cu0比值更高，催化活性也提高。
Francesco[78]通過XRD、TPR和TPD表徵手段研究了Cu/ZnO/ZrO2催化劑上CO2加氫合成甲醇反應，得出Cu+/Cu0是CO2/H2合成甲醇反應的活性中心的結論。
1.6稀土元素在催化劑中的應用
稀土元素具有豐富的能級和特殊4f外電子層結構，有著特殊的物理化學性能，已廣泛應用於石油化工、冶金行業、玻璃陶瓷、磁性材料和貯氫材料等工業領域。在化學工業中，稀土元素大多以氧化物的形式用作催化劑或者催化助劑，大量研究表明，稀土元素豐富的能級結構以及4f電子躍遷特性，容易產生多電子組態，因此稀土氧化物具有吸附選擇性強、晶型多、電子型導電性和熱穩定性好的特點，在催化劑中的作用非常顯著。目前稀土氧化物在氣體淨化、氨合成、光催化、甲烷化、石油裂化、CO氧化、制氫、加氫等催化劑都有應用。採用稀土氧化物對催化劑進行改性是改善催化劑性能的重要研究手段。
應品良、李燦等[79]通過TPD-質譜技術研究了氧化鐠晶格氧及其與H2和CO的反應性能，實驗證明氧化鐠具有較好的氧化反應能力。士麗敏、儲偉[80]等採用超聲輔助的反相共沉澱法製備了CuCo基催化劑，並以La為助劑研究了改性後催化劑在合成氣選擇轉化制低碳醇的反應。實驗結果表明，La助劑的加入使催化劑晶粒細化，增大了催化劑的比表面積，同時催化劑表面吸附CO物種的能力得到提高，催化劑的活性和C2+醇選擇性也提高，低碳混合醇中甲醇的含量變大。顏志鵬、崇明本[81]仔細分析了CeO2氧化還原性質的研究狀況，以及在催化領域中CeO2單獨使用或者作為載體的使用方式情況。認為CeO2優異的儲放氧性能,及在氧化還原、合成氣生產、有機合成和有機汙染物降解等反應中表現出良好的催化性能,可以進一步加大對CeO2進行深入研究開發。
原欣亮等[35]研究了稀土助劑Sm2O3的添加方式對Cu/Mn/Zr/Ni催化劑結構的影響，發現稀土助劑Sm2O3對催化劑有一定的電子改性作用，改變了催化劑表面的吸附行為，使催化劑具有很好的合成醇性能。楊勇、王仰東等[82]以稀土金屬La鹽等為助劑，通過採用超聲法在非水溶劑介質中製備了硫化鉬基催化劑，在3.0MPa，330℃和H2/CO=2的反應條件下考察了所製備催化劑上的CO加氫選擇性合成乙醇等低碳混合醇的催化性能。實驗以及各種表徵結果表明，La助劑的加入提高了催化劑的催化活性，並且改變了Mo-Co-K硫化物基催化劑的外觀形貌和電子結構，對提高催化活性以及乙醇的含量起到重要的作用。
張榮斌等[83]研究了鑭改性Ni/MWCNT催化CO2甲烷化反應的性能，結果表明稀土鑭改性的Ni/MWCNT較Ni/MWCNT催化劑具有更好的CO2甲烷化活性，鑭組分的加入提高了催化劑表面的鎳物種濃度和分散度，促進了氧化鎳的還原，同時提高了表面鎳物種的電子密度，增加了對反應物的吸附能力，從而提高了其CO2甲烷化活性。吳紅軍、王寶輝等[84]等研究了摻雜稀土Nd對Ti/RuO2-Co3O4電極電催化性能的影響，發現稀土Nd摻雜使表面層晶粒細化，晶型飽滿，且促進活性組分RuO2向電極表面富集，增加電極催化活性中心。霍超、夏慶華等[85]研究了稀土摻雜對納米鋇-氧化鎂載體及其負載釕基氨合成催化劑性能的影響，發現摻雜了La與Sm的催化劑效果最好，相應催化劑的低溫活性顯著提高，從而有效地提高了釕基氨合成催化劑的低溫活性。
王燾、王虹等[86]研究了稀土修飾的Co/Hβ催化劑催化分解N2O的反應性能，活性評價結果顯示，稀土助劑的添加使催化劑活性得到改善，N2O的完全分解溫度有了一定程度的降低，其中以Pr為助劑的催化劑活性最好，N2O轉化率達到95%時的反應溫度為398℃。鄧謙、李明等[87]用溶膠-凝膠法製備了摻雜稀土元素的RE(RE=La,Ce,Pr,Nd)/TiO2催化劑，研究了催化劑的催化性能。實驗結果表明：由於稀土元素的摻雜，TiO2 由銳鈦礦向金紅石相的轉變溫度有所提高，熱穩定性增加，光生電子和空穴複合率有所降低，催化性能比純TiO2明顯提高，尤其是Pr元素的摻雜對TiO2催化性能的提高最為明顯。
稀土元素雖然廣泛應用於氣體淨化、氨合成、光催化、甲烷化、石油裂化、CO氧化、制氫、加氫等催化劑應用中，但是關於稀土元素應用於CO2加氫合成甲醇催化劑的應用鮮有報導。在元素周期表中，稀土元素具有僅次於鹼土元素的強鹼性，稀土氧化物因其金屬元素為陽性以及其離子半徑和氧配位數大，表現出基於氧化物離子及氫氧化物離子的鹼性。特別是配位不足的稀土氧化物，其更易顯示出類似於鹼土金屬氧化物較強的鹼性，稀土氧化物的加入可以提高催化劑的固體鹼性。因此，鑑於稀土元素適用範圍廣、涉及幾乎所有的催化反應的優秀特性，以稀土元素La、Ce、Pr、Nd、Sm為助劑對Cu/Zn/Zr進行改性研究，對研究其對CO2加氫合成甲醇的反應性能的影響具有一定的意義。
1.7選題背景及實驗內容
甲醇是煤化工技術在尋求石油替代能源的背景下研究開發的，其主要目的是以水煤氣為原料，通過擴大碳資源的使用範圍以獲得人們需要的化工產品，來緩解目前石油資源日益匱乏所造成的能源危機。由於石化燃料燃燒所產生的CO2過多排放，超過自然界自我淨化的負荷，從而導致環境汙染以及溫室效應，對全球的社會生活和經濟發展產生了嚴重的影響，溫室效應造成的經濟損失及環境變化無法估量。如何減少CO2的排放量，降低對環境的影響成為多哈氣候大會各國的焦點議題。聯合國環境署的《排放差距報告》指出，各國的減排承諾與實現控制升溫兩度的目標之間，存在著80-130億噸碳的差距，而2011年全球總排放已經比2020年需要達到的水平高出14%。世界銀行的最新報告更是警告說&34;
目前CO2排放較多的企業主要集中在冶金、火電、石化、建材等行業，如何有效地控制和利用工業生產中所排放尾氣中的CO2，將其在一定反應條件和實用工業催化劑下加氫合成甲醇，不僅可以有效的改善自然環境，而且還可以緩解未來日益嚴重的能源危機和資源危機，實現節能減排並產生很好的經濟效益。因此，冶金、火電、石化、建材等行業的尾氣排放控制及有效利用是實現減排目標的重要突破口。傳統的工業合成甲醇催化劑並不是很適用於目前CO2加氫合成甲醇反應，而且甲醇的產率很低。因此，必須根據CO2加氫合成甲醇反應的特點，研究開發出適宜CO2加氫合成甲醇的高效催化劑，並應用於工業化。國內外目前研製出的CO2加氫合成甲醇催化劑,基本上是在CO加氫合成甲醇工業催化劑的的基礎上進行改進，並且很大一部分還在實驗室測試階段，要實現工業應用，仍具有很大的難度。
由於催化劑製備技術以及組分配比上存在專利的保密，國外關於CO2加氫合成甲醇催化劑的成熟製備技術鮮有報導，因此我國要想加快CO2加氫合成甲醇技術的應用要麼引起外國的技術要麼自行研發符合我國經濟生產的CO2加氫合成催化劑。引用外國成熟技術是不現實的，因為那要付出高昂的技術轉讓費，所以我國應結合自身科研實力研究開發出可以應用於工業化生產的CO2加氫合成甲醇催化劑和工藝技術。開發出高效穩定的CO2加氫合成甲醇工業催化劑是處理工業排放尾氣中CO2的關鍵技術之一，如此才能實現工業節能減排和資源再生再利用。