山西煤化所&北京大學Chem:氧修飾Fe5C2催化劑光驅動合成氣轉化為低碳烯烴

【前言】

低碳數烯烴(C_2–4=)作為關鍵的結構單元化學品，是合成聚合物和醫藥產品的關鍵。通常，低碳數烯烴可以從油裂解和甲醇制烯烴工藝中獲得。隨著原油的枯竭，特別是對低碳烯烴的需求日益增長，通過費托合成(FTS)工藝將合成氣直接轉化為低碳烯烴是石油路線的一種有前途的替代方案。據報道，K-和S-促進的鐵催化劑或Na -和Zn -促進的Fe₅C₂催化劑對烯烴生產具有高度選擇性。最近，據報道，Mn改性的碳化鈷催化劑能夠將合成氣轉化為低碳烯烴，創下烯烴/石蠟比30-50的新紀錄。然而，反應條件所需的大量熱能，因此工業需要更綠色和可持續的途徑來衍生的上述FTO工藝。

與熱能驅動的反應相比，光驅動的CO或CO₂利用反應是可持續的途徑，通過它可以收獲地球上最豐富的能量形式，并生產出所需的燃料和化學品。最近，作者報道了改性的Ni催化劑可以在可見光或紫外-可見(UV - vis)光照下催化合成氣的轉化，并根據所使用的不同催化劑結構產生甲醇或C²⁺烴。重要的是，反應也可以由光熱過程或等離子體效應驅動，這是光能利用的另一個重要方法。事實上，VIII族金屬顯示出出色的光熱性能和獨特的能力，可以通過有效利用全部太陽能轉化二氧化碳。

【成果簡介】

隨著原油的枯竭，特別是對低碳烯烴的需求日益增長，通過費托合成烯烴(FTO)工藝將合成氣直接轉化為低碳烯烴是石油路線的一個有前途的替代方案。近日，山西煤化所的溫曉東和北京大學的馬丁（共同通訊）在Chem上發表文章，題為“Photo-Driven Syngas Conversion to Lower Olefins over Oxygen-Decorated Fe₅C₂ Catalyst”。該團隊研究的光驅動FTO工藝可以顯著改變Fe₅C₂催化劑上的產物選擇性，導致烯烴/石蠟比為10.9，CO轉化率> 49 %。對CO₂的選擇性低至18.9 %，確保了高的碳資源利用效率，催化劑顯示出良好的穩定性。在光照射條件下，Fe₅C₂催化劑的表面被原位形成的O原子自發修飾，導致對烯烴的高選擇性，這使得它成為光驅動FTO反應的優秀催化劑。

【圖文導讀】

圖 1. 催化劑表征與反應性能

(A) Fe₅C₂和相關催化劑的XRD圖；

(B) Fe₅C₂ 催化劑在光照下的床溫測定；

(C) Fe₅C₂和相關催化劑的UV-vis；

(D) Fe₅C₂ 催化劑循環性；

圖 2. 不同催化劑的XPS圖和X射線吸收譜

(A) Fe₅C₂催化劑在不同處理條件下的原位XPS；

(B) 新鮮和使用后的Fe₅C₂ 催化劑的O1s圖；

(C) Fe₅C₂在不同反應時間下的Fe K邊XANES圖；

(D) Fe₅C₂在不同反應時間下的原位EXAFS圖；

圖 3. 兩個CH₂ 耦合和在Fe₅C₂(111)和Fe₅C₂(111)-4O_ads上加氫形成C₂H₆的能級圖

Fe, C, O 和H 原子分別為藍色，棕色，紅色以及白色

圖 4. C₂H₄吸附和在Fe₅C₂(111)和Fe₅C₂(111)-4O_ads表面上通過熱驅動（基態）和光驅動（激發態）加氫形成C₂H₄的能級圖

Fe, C, O, 和H原子分別為藍色，棕色，紅色以及白色

【總結】

該團隊研究的光驅動FTO工藝可以顯著改變Fe₅C₂催化劑上的產物選擇性，導致烯烴/石蠟比為10.9，CO轉化率> 49 %。對CO₂的選擇性低至18.9 %，確保了高的碳資源利用效率，催化劑顯示出良好的穩定性。在光照射條件下，Fe₅C₂催化劑的表面被原位形成的O原子自發修飾，導致對烯烴的高選擇性，這使得它成為光驅動FTO反應的優秀催化劑。

文獻鏈接：Photo-Driven Syngas Conversion to Lower Olefins over Oxygen-Decorated Fe₅C₂ Catalyst, (Chem, 2018, DOI: 10.1016/j.chempr.2018.09.017)

本文由材料人納米組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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