在“雙碳目標”的背景下，二氧化碳加氫制備高附加值的烴類化學品被認為是緩解環(huán)境和能源問題的有效策略之一，F(xiàn)e基催化劑在該反應中具有較好的催化性能。然而，在反應中Fe物種復雜多樣，同時存在金屬鐵、碳化鐵、氧化鐵等物種；且各類Fe物種處于動態(tài)變化中，不易調(diào)控。因此，理解該反應中催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，對優(yōu)化表面競爭反應、調(diào)控催化劑結(jié)構(gòu)和性能、進一步設計高效二氧化碳加氫催化劑尤為重要。
二氧化碳加氫Fe催化劑的結(jié)構(gòu)演變示意圖
針對這一問題，精細化工國家重點實驗室、遼寧省“興遼英才計劃”高水平創(chuàng)新團隊郭新聞教授課題組，與美國萊斯大學Thomas Senftle教授、香港中文大學宋春山教授、大連化學物理研究所劉偉研究員、傅強研究員等課題組合作，在Science子刊Science Advances發(fā)表題為“Dynamic structural evolution of iron catalysts involving competitive oxidation and carburization during CO2 hydrogenation”的研究論文。該工作使用多種（準）原位表征方法，探究了金屬Fe催化劑在二氧化碳加氫中的結(jié)構(gòu)演變：在反應氣氛下，金屬Fe經(jīng)過Fe3C轉(zhuǎn)變?yōu)镕e5C2，隨后生成大量Fe3O4，在穩(wěn)態(tài)下生成Fe3O4@(Fe5C2+Fe3O4)的核殼結(jié)構(gòu)。實驗研究和表征分析及理論計算結(jié)果表明，催化劑的表面組成依賴于催化反應中的“碳化-氧化”動態(tài)平衡，且催化劑表面結(jié)構(gòu)和反應微環(huán)境相互依賴、相互影響。其中，氧化過程主要受二氧化碳加氫生成的副產(chǎn)物水的影響。同時本文還將催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)與反應性能演變關(guān)聯(lián)，為開發(fā)高效催化劑提供了啟示。
不同反應時間的催化劑形貌結(jié)構(gòu)分析
催化劑結(jié)構(gòu)演變示意圖和理論計算的Fe物種相圖
上述工作近期發(fā)表在Science Advances 2022,8, eabm3629，論文第一作者為化工學院博士生朱杰，共同通訊作者為化工學院張光輝副教授、郭新聞教授和香港中文大學宋春山教授。工作得到了重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、遼寧省“興遼英才”計劃等資助支持。
來源：大連理工大學
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