在合成氣轉(zhuǎn)化過程中，鐵基催化劑的活性相碳化鐵容易被反應中生成的水氧化，導致催化活性降低、副反應嚴重。本文揭示了不同鐵物相之間存在顯著的尺寸差異，發(fā)現(xiàn)碳化鐵氧化為Fe3O4是一個體積增加的過程，基于此設計構(gòu)筑了多孔石墨碳封裝碳化鐵的新型催化劑，剛性石墨碳有效保護了碳化鐵在反應中不被氧化，使其在CO轉(zhuǎn)化率>80%、反應溫度330℃等苛刻的反應條件下仍然可以保持穩(wěn)定，進而表現(xiàn)出了超高的反應活性，并且添加適量Na助劑后C4+ α-烯烴的時空產(chǎn)率高達11.35 g·gcat-1·h-1。這項工作為設計高活性、高穩(wěn)定性的鐵基催化劑提供了新的思路。
背景介紹
α-烯烴是重要的有機化工原料，可用于合成高端潤滑油、表面活性劑、增塑劑、以及用作聚烯烴共聚單體。傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)方式主要為乙烯齊聚，然而該工藝的操作條件苛刻、且產(chǎn)品為偶數(shù)碳的α-烯烴。費托合成（Fischer-Tropsch synthesis，F(xiàn)TS）可將煤/生物質(zhì)基合成氣直接轉(zhuǎn)化為碳數(shù)連續(xù)分布的α-烯烴，該路徑對于解決α-烯烴的市場需求、實現(xiàn)煤炭的清潔高效利用等方面均具有重要意義，近年來受到了研究者們的廣泛關(guān)注。
鐵基催化劑具有價格低廉、反應條件廣、烴類分布易調(diào)控的優(yōu)點，是常用的工業(yè)FTS催化劑。由于合成氣轉(zhuǎn)化過程中同時存在H2、CO、H2O對鐵物種的還原、碳化、氧化過程，傳統(tǒng)鐵基催化劑在反應中通常會演變?yōu)樘蓟F和Fe3O4的混合物相。碳化鐵是FTS生成烴類產(chǎn)物的活性相，而Fe3O4則對水煤氣變換副反應有著很高的反應活性。因此，保護碳化鐵在反應中不被氧化對于提高烴類的時空產(chǎn)率、減少CO2生成是非常必要的。
本文亮點
1. 設計構(gòu)筑了多孔石墨碳封裝碳化鐵的新型催化劑，并通過改變煅燒條件有效調(diào)控了石墨碳層的孔道結(jié)構(gòu)。
2.揭示了不同鐵物相之間顯著的尺寸差異，并基于此利用剛性石墨碳有效保護了碳化鐵在反應中不被氧化。
3.實現(xiàn)了超高的合成氣制取C4+ α-烯烴的時空產(chǎn)率（11.35 g·gcat-1·h-1）。
總結(jié)與展望
本工作揭示了不同鐵物相之間顯著的尺寸差異，發(fā)現(xiàn)碳化鐵氧化為Fe3O4是一個體積增加的過程，基于此設計構(gòu)筑了多孔石墨碳封裝碳化鐵的新型催化劑，剛性石墨碳有效保護了碳化鐵在反應中不被氧化，使得催化劑在合成氣轉(zhuǎn)化過程中表現(xiàn)出了超高的C4+ α-烯烴時空產(chǎn)率和相對較低的CO2選擇性。該工作為穩(wěn)定碳化鐵活性相提供了一種新的思路。
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