山西煤化所在鐵基催化劑結(jié)構(gòu)調(diào)控方向取得重要進(jìn)展
近日，中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所溫曉東研究員團(tuán)隊(duì)在鐵基催化劑結(jié)構(gòu)調(diào)控方向取得重要進(jìn)展。研究成果以“Stabilized Fe7C3?Catalyst with K-Mg Dual Promotion for Robust CO2?Hydrogenation to High-Value Olefins”為題，發(fā)表于《Nature Communications》期刊。
鐵基催化劑因其低成本和可調(diào)控性，在合成氣轉(zhuǎn)化及CO2加氫等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。然而，鐵催化劑在反應(yīng)過(guò)程中通常呈現(xiàn)出復(fù)雜的相態(tài)演化行為，其活性相多為不同碳化鐵（如θ-Fe3C、χ-Fe5C2、Fe7C3、ε-Fe2C等）與氧化鐵的共存體系，導(dǎo)致反應(yīng)機(jī)制難以明確、選擇性控制受限，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足。
為突破該瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地構(gòu)建了Fe7C3鐵碳化物催化劑。通過(guò)普魯士藍(lán)類前驅(qū)體在氨氣氛熱解條件下誘導(dǎo)形成Fe2N中間相，在CO2加氫過(guò)程中進(jìn)一步原位轉(zhuǎn)化為Fe7C3，從而規(guī)避了傳統(tǒng)碳化路徑中Fe3O4/Fe5C2動(dòng)態(tài)混相難控的問(wèn)題。該策略實(shí)現(xiàn)了Fe7C3主相在CO2加氫低碳勢(shì)氣氛中的生成與穩(wěn)定保持。
該研究通過(guò)K–Mg雙助劑的協(xié)同調(diào)控策略顯著增強(qiáng)了Fe7C3的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。K助劑有效促進(jìn)碳化過(guò)程，引導(dǎo)Fe2N中間相向Fe7C3的有序相變；Mg助劑則在反應(yīng)過(guò)程中通過(guò)吸電子效應(yīng)削弱Fe–O鍵合強(qiáng)度，顯著提高水分子在表面的解離能壘，從而有效抑制水誘導(dǎo)的表面氧化。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建了Fe7C3的熱力學(xué)形成相圖，揭示在低碳化學(xué)勢(shì)條件下，F(xiàn)e7C3與其他鐵碳化物之間的形成能差異較小，表明其具備穩(wěn)定存在的熱力學(xué)可行性。結(jié)合XRD、M?ssbauer、XAS與XPS等多尺度表征手段，明確驗(yàn)證了該催化劑在氧化性反應(yīng)環(huán)境中依然能夠穩(wěn)定保持Fe7C3主相，展現(xiàn)出卓越的結(jié)構(gòu)保持能力和反應(yīng)穩(wěn)定性。
該工作不僅在材料結(jié)構(gòu)調(diào)控方面實(shí)現(xiàn)重要突破，也為Fe7C3物相在其他催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)中的應(yīng)用探索提供了新的研究范式。所提出的前驅(qū)體熱解策略同樣適用于χ-Fe5C2、θ-Fe3C和ε-Fe2C等多種鐵碳化物的可控構(gòu)建，為深入揭示碳化物結(jié)構(gòu)–性能關(guān)系和開(kāi)發(fā)高性能鐵基催化劑提供了有力的理論支撐與實(shí)踐指導(dǎo)。
本研究國(guó)家杰出青年科學(xué)基金（22225206，22025804），國(guó)家自然科學(xué)基金（22172183， 22202224，22178367），國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFA1604100，2022YFB4101200），北京市自然科學(xué)基金（L255001），中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)研究青年科學(xué)家項(xiàng)目（YSBR-005），中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（ZDBS-LY-7007），國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃（92045303），中科院信息化專項(xiàng)（CAS-WX2021SF0110），鄂爾多斯市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（YF20232316，YF20232317），以及來(lái)自中科合成油有限公司的經(jīng)費(fèi)支持。
（908課題組）
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