山西煤化所在費托合成鐵基催化劑相變調控理論方面取得重要進展
近日，中國科學院山西煤炭化學研究所溫曉東/劉星辰研究員團隊在催化劑相變調控理論及鐵基催化劑可控合成方面取得重要進展。研究成果以“Rational Synthesis of Iron Carbide Nanocatalysts for Fischer?Tropsch Synthesis: The Role of Carbon Chemical Potential”為題，發(fā)表于化學領域國際頂級期刊《Journal of the American Chemical Society》。
研究首次構建了化學組分可變的固體催化劑納米顆粒在反應條件下的相變理論，以費托合成鐵基催化劑為模型體系，展示了該理論對反應條件下多種碳化鐵相競爭形成過程中目標主導相的選擇性穩(wěn)定與調控的精確指導作用。
為了實現高原子利用率和催化效率，當前工業(yè)催化劑的活性核心組分通常是納米尺寸的。因此理解催化劑納米顆粒在反應條件下的物相演化行為，對可持續(xù)能源技術中催化劑的理性設計具有重要意義。鐵基催化劑在合成氣轉化及CO?加氫等領域具有廣泛的工業(yè)應用。然而在反應氣氛下，鐵基催化劑通常表現出復雜的物相演化行為，并伴隨組分變化。多種碳化相（如θ-Fe?C、χ-Fe?C?、ε-Fe?C、Fe?C?等）的共存與轉化，使得其在動態(tài)反應條件下的結構穩(wěn)定性與演化機理長期缺乏系統(tǒng)性認識，從而限制了催化材料的理性設計與性能優(yōu)化。
針對這一科學問題，研究團隊基于碳化學勢這一描述反應氣氛的關鍵熱力學變量，構建了一個綜合考慮納米尺度熱力學與納米相變動力學的普適性理論框架，系統(tǒng)研究了反應條件、粒徑和物相演化之間的復雜耦合關系。研究發(fā)現，納米尺度效應在費托合成條件下對碳化鐵的物相選擇性和演化路徑具有決定性作用。基于該理論框架，團隊成功解釋了多相催化領域長期存在的疑問——在費托合成條件下χ-Fe?C?相為何普遍占優(yōu)而Fe?C?相極為罕見，這一現象源于不同鐵碳物相在納米尺度下的熱力學穩(wěn)定性與動力學可達性的差異。進一步，團隊通過精心設計的相變實驗和各種先進表征技術對理論預測進行了嚴格驗證，實驗結果與理論預測高度一致。研究不僅加深了對鐵碳物相在納米尺度下熱力學—動力學耦合機制的理解，解釋了數十年來文獻中報道的碳化鐵催化劑的各種復雜相行為，也為多相競爭條件下實現目標物相的選擇性穩(wěn)定與可控生成提供了理論依據與實踐指導。
該研究為高性能鐵基催化劑的設計與優(yōu)化奠定了重要基礎，也為預測和調控用于碳中和燃料生產及環(huán)境應用的復雜多元素納米催化劑的相行為建立了普適性理論框架，該理論可推廣至反應環(huán)境中發(fā)生變組分相變的多種催化體系，如金屬碳化物、氮化物、氧化物等，對多種高效能源轉化技術的開發(fā)具有廣泛的指導意義。研究工作獲得國家自然科學基金委、中國科學院、及科技部等的支持。
集成納米尺度熱力學信息與相變動力學信息的碳化鐵納米顆粒綜合相圖
不同實驗條件下碳化鐵顆粒物相演化的原位X-射線衍射表征
不同實驗條件下碳化鐵顆粒物相演化的穆斯堡爾譜和高分辨透射電鏡表征
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https://doi.org/10.1021/jacs.5c11223?
（煤炭高效低碳利用全國重點實驗室）
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