近日，廈門大學化學化工學院王野教授課題組在費托合成高效催化劑的研究方面取得新進展，相關(guān)成果以“Iridium boosts the selectivity and stability of cobalt catalysts for syngas to liquid fuels”為題發(fā)表于Chem (2022, https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.12.016)。
費托合成即合成氣(CO/H2)催化轉(zhuǎn)化制備液體燃料是碳基能源催化領(lǐng)域的重要過程，金屬鈷是該反應(yīng)的一類高效催化劑。然而，Co催化劑易生成CH4等低值烴，選擇性達到10-15%，降低了碳利用效率，同時還帶來極高的分離能耗。Co催化劑在反應(yīng)過程中還易發(fā)生氧化、燒結(jié)，導(dǎo)致失活。設(shè)計低CH4選擇性、高穩(wěn)定性Co催化劑是該研究領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。另一方面，貴金屬如Ru、Re、Pt等常用于Co催化劑助劑，以提高催化性能。迄今，貴金屬助劑的作用本質(zhì)仍缺乏認識。雖然一般認為貴金屬促進Co前驅(qū)體還原，但對其能否提升選擇性和穩(wěn)定性仍存在爭議。探究貴金屬的作用機制對于發(fā)展高性能費托合成催化劑極為重要。
基于此，王野課題組與程俊課題組、Kansas大學Franklin Tao、上海交通大學劉晰等合作，構(gòu)建了貴金屬Ir修飾的納米Co催化劑，實現(xiàn)合成氣高選擇性、高穩(wěn)定性轉(zhuǎn)化制液體燃料。通過DFT計算預(yù)測貴金屬助劑的作用，發(fā)現(xiàn)貴金屬Ru、Re、Ir可穩(wěn)定Co為六方(HCP)晶相，降低CO解離能壘，提高CH4生成能壘，從而提升催化劑活性，降低CH4選擇性。構(gòu)建貴金屬Ir修飾的Co/CNT催化劑(Ir-Co/CNT)，費托合成反應(yīng)產(chǎn)物C5+烴選擇性高達95%，CH4選擇性低至2.7%，催化劑穩(wěn)定性優(yōu)異，超過1300小時未見失活。揭示了貴金屬Ir助劑對Co催化劑和費托合成性能的調(diào)控作用：Ir改變Co納米粒子表面幾何結(jié)構(gòu)，形成HCP相Ir-Co單原子合金，促進CO解離，提高催化活性；調(diào)控Co表面電子結(jié)構(gòu)，改變CO和H2 的吸附，提高表面吸附C物種覆蓋度和生成CH4能壘，降低CH4選擇性；提高抗氧化能力，延長催化劑壽命。研究為設(shè)計高效費托合成催化劑，深入認識多相催化中助劑的作用提供了重要指導(dǎo)。
該工作是多個團隊緊密合作的成果。我院王野課題組負責催化劑合成、催化劑性能評價和部分催化劑表征，程俊課題組負責DFT計算，堪薩斯大學Franklin Tao負責原位XAS表征，上海交通大學劉晰負責原位電鏡表征。我院康金燦高工、博士后樊祺源、2017級博士生周偉(現(xiàn)蘇黎世聯(lián)邦理工學院博士后)為論文共同第一作者。研究得到國家重點研發(fā)計劃(2019YFE0104400)，國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體(22121001)、重大研究計劃集成項目(91945301)等項目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.12.016
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