中國科學(xué)院上海高等研究院的CO2加氫制烯烴研究獲進展

近日，中國科學(xué)院上海高等研究院的研究團隊以過渡金屬助劑修飾的鐵基催化劑為研究對象，在CO2加氫制烯烴研究中取得重要進展。相關(guān)研究成果發(fā)表于《應(yīng)用催化B：環(huán)境》雜志。

目前將CO2轉(zhuǎn)化為高附加值烯烴，不僅能實現(xiàn)溫室氣體減排，還有助于解決對化石燃料的過度依賴以及可再生能源的存儲問題，實現(xiàn)我國低碳綠色轉(zhuǎn)型需求及碳達峰目標。鐵基催化劑因具有逆水煤氣變換(RWGS)和費-托合成反應(yīng)活性，被廣泛用于CO2加氫制烯烴過程。

單一的鐵催化劑活性及穩(wěn)定性較差，需要添加助劑以提升其催化活性和穩(wěn)定性。其中，過渡金屬助劑(如Zn，Cu，Mn，Co等)在改善鐵基催化劑活性及穩(wěn)定性方面具有重要作用。過渡金屬助劑可以作為結(jié)構(gòu)助劑提升催化劑穩(wěn)定性，也可通過改變鐵物相的電子密度來改善其還原和碳化能力，并促進反應(yīng)過程中碳物種的吸附。然而過渡金屬助劑對烯烴(包括C2～C4輕烯烴和C5+長鏈烯烴)選擇性的影響尚缺乏理論認識。

該研究團隊通過表征及密度泛函理論(DFT)計算研究Zn，Cu，Mn助劑對鐵基催化劑物化性質(zhì)和反應(yīng)性能的影響。結(jié)果表明，Zn和Cu助劑能通過促進鐵催化劑的還原和滲碳，促進Fe3O4和Fe5C2活性相的形成，提高催化劑表面堿性和H2活性。除Fe3O4外，Cu也是RWGS反應(yīng)的活性位，而FeCu-Na在反應(yīng)過程中Cu和Fe物種間會發(fā)生相分離，降低CO2轉(zhuǎn)化率，CO選擇性略有增加。雖然Mn的引入增強了鐵氧化物的還原性，但Mn與Fe物種間的強相互作用抑制了CO的化學(xué)吸附和滲碳，不利于CO中間體的進一步轉(zhuǎn)化。因此，F(xiàn)eZn-Na催化劑表現(xiàn)出最高的CO2加氫活性。

DFT計算結(jié)果表明，ZnO可促進丙烯在ZnO/Fe5C2界面上的脫附，從而抑制烯烴的二次加氫反應(yīng)，使FeZn-Na催化劑表現(xiàn)出較高的烯烴選擇性和烯烷比，其中C5+長鏈烯烴選擇性可達32.3%。然而與Fe5C2表面相比，Cu/Fe5C2界面上二次加氫反應(yīng)的關(guān)鍵步驟能壘更低，有利于烯烴二次加氫反應(yīng)，因而FeCu-Na催化劑具有較低的烯烷比。

該研究可為理解過渡金屬助劑對鐵基催化劑性能的影響提供借鑒。

[中國石化有機原料科技情報中心站供稿]