山西煤化所&北京大学Chem:氧修饰Fe5C2催化剂光驱动合成气转化为低碳烯烃

【前言】

低碳数烯烃(C_2–4=)作为关键的结构单元化学品，是合成聚合物和医药产品的关键。通常，低碳数烯烃可以从油裂解和甲醇制烯烃工艺中获得。随着原油的枯竭，特别是对低碳烯烃的需求日益增长，通过费托合成(FTS)工艺将合成气直接转化为低碳烯烃是石油路线的一种有前途的替代方案。据报道，K-和S-促进的铁催化剂或Na -和Zn -促进的Fe₅C₂催化剂对烯烃生产具有高度选择性。最近，据报道，Mn改性的碳化钴催化剂能够将合成气转化为低碳烯烃，创下烯烃/石蜡比30-50的新纪录。然而，反应条件所需的大量热能，因此工业需要更绿色和可持续的途径来衍生的上述FTO工艺。

与热能驱动的反应相比，光驱动的CO或CO₂利用反应是可持续的途径，通过它可以收获地球上最丰富的能量形式，并生产出所需的燃料和化学品。最近，作者报道了改性的Ni催化剂可以在可见光或紫外-可见(UV - vis)光照下催化合成气的转化，并根据所使用的不同催化剂结构产生甲醇或C²⁺烃。重要的是，反应也可以由光热过程或等离子体效应驱动，这是光能利用的另一个重要方法。事实上，VIII族金属显示出出色的光热性能和独特的能力，可以通过有效利用全部太阳能转化二氧化碳。

【成果简介】

随着原油的枯竭，特别是对低碳烯烃的需求日益增长，通过费托合成烯烃(FTO)工艺将合成气直接转化为低碳烯烃是石油路线的一个有前途的替代方案。近日，山西煤化所的温晓东和北京大学的马丁（共同通讯）在Chem上发表文章，题为“Photo-Driven Syngas Conversion to Lower Olefins over Oxygen-Decorated Fe₅C₂ Catalyst”。该团队研究的光驱动FTO工艺可以显著改变Fe₅C₂催化剂上的产物选择性，导致烯烃/石蜡比为10.9，CO转化率> 49 %。对CO₂的选择性低至18.9 %，确保了高的碳资源利用效率，催化剂显示出良好的稳定性。在光照射条件下，Fe₅C₂催化剂的表面被原位形成的O原子自发修饰，导致对烯烃的高选择性，这使得它成为光驱动FTO反应的优秀催化剂。

【图文导读】

图 1. 催化剂表征与反应性能

(A) Fe₅C₂和相关催化剂的XRD图；

(B) Fe₅C₂ 催化剂在光照下的床温测定；

(C) Fe₅C₂和相关催化剂的UV-vis；

(D) Fe₅C₂ 催化剂循环性；

图 2. 不同催化剂的XPS图和X射线吸收谱

(A) Fe₅C₂催化剂在不同处理条件下的原位XPS；

(B) 新鲜和使用后的Fe₅C₂ 催化剂的O1s图；

(C) Fe₅C₂在不同反应时间下的Fe K边XANES图；

(D) Fe₅C₂在不同反应时间下的原位EXAFS图；

图 3. 两个CH₂ 耦合和在Fe₅C₂(111)和Fe₅C₂(111)-4O_ads上加氢形成C₂H₆的能级图

Fe, C, O 和H 原子分别为蓝色，棕色，红色以及白色

图 4. C₂H₄吸附和在Fe₅C₂(111)和Fe₅C₂(111)-4O_ads表面上通过热驱动（基态）和光驱动（激发态）加氢形成C₂H₄的能级图

Fe, C, O, 和H原子分别为蓝色，棕色，红色以及白色

【总结】

该团队研究的光驱动FTO工艺可以显著改变Fe₅C₂催化剂上的产物选择性，导致烯烃/石蜡比为10.9，CO转化率> 49 %。对CO₂的选择性低至18.9 %，确保了高的碳资源利用效率，催化剂显示出良好的稳定性。在光照射条件下，Fe₅C₂催化剂的表面被原位形成的O原子自发修饰，导致对烯烃的高选择性，这使得它成为光驱动FTO反应的优秀催化剂。

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

本文由材料人纳米组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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