研究背景
隨著能源需求的不斷增加和環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，替代石油的可再生能源與化學(xué)原料的研究逐漸引起科學(xué)家的廣泛關(guān)注。尤其是合成氣（syngas）的制備與轉(zhuǎn)化技術(shù)，因其在燃料與化學(xué)品生產(chǎn)中的潛力，成為了研究的熱點(diǎn)。合成氣是一種主要由一氧化碳（CO）和氫氣（H?）組成的氣體，可通過煤、天然氣及生物質(zhì)等多種原料轉(zhuǎn)化而成。其后續(xù)轉(zhuǎn)化過程，尤其是通過費(fèi)托合成（Fischer–Tropsch, FT）反應(yīng)生產(chǎn)線性α-烯烴（LAOs），已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。線性α-烯烴作為重要的化學(xué)中間體，廣泛應(yīng)用于塑料、表面活性劑及其他化學(xué)品的生產(chǎn)。然而，現(xiàn)有的FT工藝在生產(chǎn)LAOs時(shí)面臨許多挑戰(zhàn)。盡管高溫FT技術(shù)在燃料生產(chǎn)中得到了成熟應(yīng)用，但在轉(zhuǎn)化合成氣為有價(jià)值的化學(xué)品方面的效率依然較低。特別是CO?的產(chǎn)生和C?–C?烯烴的主導(dǎo)地位導(dǎo)致了線性α-烯烴（C?–C??）產(chǎn)量的降低，進(jìn)而影響了整體的碳利用效率。為了解決這些問題，國家能源集團(tuán)&荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)王鵬、國家能源集團(tuán)門卓武以及荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)的Emiel J. M. Hensen等研究者攜手在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“Efficient conversion of syngas to linear α-olefins by phase-pure χ-Fe5C2”的最新論文。他們探索了新型催化劑以優(yōu)化FT至LAOs的過程。最新研究表明，使用相純的χ-鐵碳化物（χ-Fe?C?）催化劑可以顯著提高CO轉(zhuǎn)化率并降低CO?的選擇性。通過優(yōu)化催化劑的合成方法，確保了χ-Fe?C?相的純度，從而避免了常規(guī)FT催化劑中常見的碳沉積和其他副反應(yīng)。這一催化劑在反應(yīng)條件下展現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性和活性，CO轉(zhuǎn)化效率在250°C時(shí)即表現(xiàn)出高達(dá)53%的轉(zhuǎn)化率，且其CO?選擇性保持在較低水平。 最后，本文進(jìn)一步的研究通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算和微動(dòng)力學(xué)模擬揭示了χ-Fe?C?催化劑在FT反應(yīng)中的機(jī)理，顯示了其較低的CO?生成能壘。這不僅提升了合成氣轉(zhuǎn)化的效率，也為相似催化劑在其他反應(yīng)（如醇、芳烴或噴氣燃料的生產(chǎn)）中的應(yīng)用提供了新的思路。
研究亮點(diǎn)
1. 實(shí)驗(yàn)首次利用相純?chǔ)?Fe5C2催化劑進(jìn)行費(fèi)托反應(yīng)（FT）以生產(chǎn)線性α-烯烴（LAOs），實(shí)現(xiàn)了高效轉(zhuǎn)化的目標(biāo)。2. 實(shí)驗(yàn)通過在265°C的溫和條件下，展示了χ-Fe5C2催化劑的穩(wěn)定性和高活性，CO轉(zhuǎn)化率高達(dá)53%，CO2選擇性低至9%，顯示出優(yōu)越的碳基選擇性。3. 使用錳促進(jìn)的χ-Fe5C2催化劑（Mn-χ-Fe5C2）進(jìn)一步提高了產(chǎn)品分布，O/P比率從1.2提升至4.1，LAOs的選擇性增加至50.7%，表明錳的加入有效改善了催化性能。 4. 原位穆斯堡爾譜和透射電子顯微鏡（TEM）表征結(jié)果證實(shí)，χ-Fe5C2相在反應(yīng)過程中保持純度，且未發(fā)生碳沉積或錳遷移，這增強(qiáng)了催化劑的長期穩(wěn)定性。5. 研究結(jié)果表明，相純?chǔ)?Fe5C2催化劑在FTLAO過程中的應(yīng)用潛力，為合成氣轉(zhuǎn)化為有價(jià)值化學(xué)品提供了新的技術(shù)路徑，預(yù)示其在工業(yè)化進(jìn)程中的重要性。
圖文解讀
圖1 優(yōu)化后的Mn-χ-Fe5C2的催化性能。
圖2 活動(dòng)相形成與演化的原位表征。
圖3 純相χ-Fe5C2 形成的環(huán)境透射電鏡研究。
總結(jié)展望
本文展示了相純?chǔ)?Fe5C2催化劑在費(fèi)托合成-線性α-烯烴（FTLAO）過程中的高效能和穩(wěn)定性。首先，通過優(yōu)化催化劑相純度，顯著降低了CO2選擇性，提升了對(duì)目標(biāo)C2–C10線性α-烯烴的選擇性。其次，錳的促進(jìn)作用進(jìn)一步增強(qiáng)了催化活性，并抑制了副反應(yīng)。再者，通過高壓穆斯堡爾譜儀的原位監(jiān)測，深入理解了催化劑在反應(yīng)條件下的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)化機(jī)制。最后，該研究表明，優(yōu)化催化劑以提高碳轉(zhuǎn)化效率和降低CO2排放，符合當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展的需求，可能為合成氣轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品開辟新的途徑，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。 Wang, P., Chiang, FK., Chai, J. et al. Efficient conversion of syngas to linear α-olefins by phase-pure χ-Fe5C2. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08078-5
