新型铁碳化物催化剂助力高效合成气转化！

【研究背景】

随着全球对可持续能源和化学品生产的需求不断增加，合成气转化为线性α-烯烃（LAOs）的研究因其在燃料和化学品生产中的重要性而成为热点。然而，现有的费托合成（FT）技术在高温下生产LAOs时，存在着二氧化碳（CO2）废物产生量大和碳利用效率低的问题。这一挑战限制了合成气转化过程的经济性和环境友好性。

有鉴于此，荷兰埃因霍温理工大学的Emiel J. M. Hensen、国家能源集团&荷兰埃因霍温理工大学的王鹏以及国家能源集团的门卓武等研究者携手提出使用相纯的χ-铁碳化物（χ-Fe5C2）作为催化剂，以提高合成气转化为LAOs的效率。最新的研究表明，这种催化剂在290°C下的催化活性比现有的专用FT-烯烃催化剂高出1至2个数量级，并且在长达200小时的稳定性测试中表现优异。在工业相关条件下，χ-Fe5C2催化剂在产生所需的C2–C10 LAOs的同时，CO2的生成选择性仅为9%，显示出51%的碳基选择性。

通过进一步的锰促进，研究者成功提高了烯烃与烷烃的比率，并显著降低了CO2选择性。结果表明，χ-Fe5C2催化剂不仅在合成气转化过程中展现出高碳效率，同时也为开发更具可持续性的FTLAO技术提供了新的路径。这些研究成果不仅为合成气转化提供了新的思路，也为其他化学品的生产开辟了新的应用前景。

【表征解读】

本文通过高压穆斯堡尔谱仪对相纯χ-Fe5C2催化剂进行了原位表征，发现该催化剂在费托合成-线性α-烯烃（FTLAO）反应条件下展现出优异的稳定性和催化活性。这一发现揭示了χ-Fe5C2相在反应过程中的重要作用，表明其在提升CO转化率和减少CO2副产物方面的潜力。

针对χ-Fe5C2催化剂的稳定性问题，本文通过透射电子显微镜（TEM）技术对使用过的催化剂进行了表征，观察到催化剂的相纯度得到良好保持，且没有碳沉积或锰迁移的迹象。这些结果进一步验证了锰的促进作用，说明其能够有效抑制碳沉积并改善氧的去除能力，从而提高催化剂的长期稳定性。这些微观机理的表征帮助我们深入理解了催化剂的催化行为，并挖掘了如何通过添加锰来优化催化剂的选择性。

在此基础上，本文结合高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和微观动力学模拟等多种表征手段，揭示了χ-Fe5C2催化剂在不同温度下的催化性能和CO转化机制。结果显示，在温和的反应条件下，该催化剂的CO转化率显著高于其他文献中报道的催化剂，同时其CO2选择性保持在较低水平。本文强调了相纯度对催化效率的关键影响，并通过密度泛函理论（DFT）计算确认了该催化剂对水生成的低能量屏障，这进一步解释了其低CO2选择性。

总之，经过穆斯堡尔谱、TEM和HRTEM等多种表征手段的深入分析，本文揭示了χ-Fe5C2催化剂在FTLAO过程中的优越性能及其微观机理。这些发现为制备高效催化剂提供了理论基础，推动了相纯催化剂在合成气转化为有价值的线性α-烯烃方面的研究进展，并为未来工业化应用奠定了良好的基础。通过这种新材料的开发，我们期待能够在可持续化学合成和能源转化领域实现更大的突破。

【图文速递】

图1 优化后的Mn-χ-Fe5C2的催化性能。

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图2 活动相形成与演化的原位表征。

图3 纯相χ-Fe5C2 形成的环境透射电镜研究。

【科学启迪】

本文的研究为合成气转化为线性α-烯烃（LAOs）提供了新的视角，特别是利用相纯的χ-铁碳化物催化剂。研究显示，该催化剂在较低温度下展现出优异的催化活性和低CO2选择性，从而提高了碳利用效率。这一发现不仅突破了传统费托合成工艺的局限性，还为开发更加高效的化学品生产工艺奠定了基础。锰的引入进一步提升了产品选择性，降低了不必要的副反应，为催化剂的优化提供了新的思路。通过深入理解不同相的稳定性及其对反应性能的影响，未来的研究可以聚焦于设计更加高效、稳定的催化剂系统，从而推动合成气资源的高值化利用。这不仅有助于满足日益增长的化学品需求，也为实现低碳经济目标提供了技术支持。因

原文详情：Wang, P., Chiang, FK., Chai, J. et al. Efficient conversion of syngas to linear α-olefins by phase-pure χ-Fe5C2. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08078-5