中国科学院上海高等研究院的CO2加氢制烯烃研究获进展

近日，中国科学院上海高等研究院的研究团队以过渡金属助剂修饰的铁基催化剂为研究对象，在CO2加氢制烯烃研究中取得重要进展。相关研究成果发表于《应用催化B：环境》杂志。

目前将CO2转化为高附加值烯烃，不仅能实现温室气体减排，还有助于解决对化石燃料的过度依赖以及可再生能源的存储问题，实现我国低碳绿色转型需求及碳达峰目标。铁基催化剂因具有逆水煤气变换(RWGS)和费-托合成反应活性，被广泛用于CO2加氢制烯烃过程。

单一的铁催化剂活性及稳定性较差，需要添加助剂以提升其催化活性和稳定性。其中，过渡金属助剂(如Zn，Cu，Mn，Co等)在改善铁基催化剂活性及稳定性方面具有重要作用。过渡金属助剂可以作为结构助剂提升催化剂稳定性，也可通过改变铁物相的电子密度来改善其还原和碳化能力，并促进反应过程中碳物种的吸附。然而过渡金属助剂对烯烃(包括C2～C4轻烯烃和C5+长链烯烃)选择性的影响尚缺乏理论认识。

该研究团队通过表征及密度泛函理论(DFT)计算研究Zn，Cu，Mn助剂对铁基催化剂物化性质和反应性能的影响。结果表明，Zn和Cu助剂能通过促进铁催化剂的还原和渗碳，促进Fe3O4和Fe5C2活性相的形成，提高催化剂表面碱性和H2活性。除Fe3O4外，Cu也是RWGS反应的活性位，而FeCu-Na在反应过程中Cu和Fe物种间会发生相分离，降低CO2转化率，CO选择性略有增加。虽然Mn的引入增强了铁氧化物的还原性，但Mn与Fe物种间的强相互作用抑制了CO的化学吸附和渗碳，不利于CO中间体的进一步转化。因此，FeZn-Na催化剂表现出最高的CO2加氢活性。

DFT计算结果表明，ZnO可促进丙烯在ZnO/Fe5C2界面上的脱附，从而抑制烯烃的二次加氢反应，使FeZn-Na催化剂表现出较高的烯烃选择性和烯烷比，其中C5+长链烯烃选择性可达32.3%。然而与Fe5C2表面相比，Cu/Fe5C2界面上二次加氢反应的关键步骤能垒更低，有利于烯烃二次加氢反应，因而FeCu-Na催化剂具有较低的烯烷比。

该研究可为理解过渡金属助剂对铁基催化剂性能的影响提供借鉴。

[中国石化有机原料科技情报中心站供稿]