新型催化劑可實現(xiàn)合成氣高效直接制取烯烴

2月5日，Science(《科學(xué)》)在線發(fā)表了武漢大學(xué)動力與機械學(xué)院、工業(yè)科學(xué)研究院定明月教授團隊在合成氣催化轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的最新研究成果。該研究發(fā)展了一種新型Fe基復(fù)合催化劑，高效抑制了二氧化碳副產(chǎn)物的生成，實現(xiàn)了合成氣高選擇性、高收率直接制取烯烴。

通過費-托合成反應(yīng)可將煤經(jīng)合成氣(一氧化碳和氫氣)轉(zhuǎn)化為液體燃料和高碳化學(xué)品，該技術(shù)已主導(dǎo)煤化工領(lǐng)域近百年。然而該過程通常發(fā)生水煤氣變換反應(yīng)，產(chǎn)生大量的二氧化碳，并消耗大量的水，導(dǎo)致后續(xù)能耗大幅增加。另外，費-托合成反應(yīng)是強放熱反應(yīng)，容易導(dǎo)致甲烷副產(chǎn)物的生成，降低高碳產(chǎn)品的收率。為此，在費-托合成過程中約50%一氧化碳轉(zhuǎn)化成了二氧化碳(約40%)和甲烷等C1副產(chǎn)物，碳原子利用效率低下，嚴(yán)重降低了能源效益和經(jīng)濟效益。如何高效降低二氧化碳、甲烷等C1副產(chǎn)物生成，提高特定烴類產(chǎn)品的選擇性在國際能源化工界一直是一個巨大的挑戰(zhàn)。

定明月課題組創(chuàng)造性發(fā)展了一種新型疏水性FeMn@Si催化劑，在工業(yè)反應(yīng)條件下，實現(xiàn)了合成氣高選擇性直接制取烯烴，二氧化碳和甲烷等C1副產(chǎn)物顯著降低到22.5%以下，烯烴選擇性可達65%(烯烴中高附加值α-烯烴選擇性可達81%以上)，烯烴產(chǎn)率高達36%以上。

研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eMn@Si催化劑表面二氧化硅疏水層可保護碳化鐵活性相免受水的氧化，并保持碳化鐵活性相處于良好的穩(wěn)定狀態(tài)。與此同時，催化劑表面疏水層阻止了水進入核層反應(yīng)區(qū)域，進而抑制了水煤氣變換反應(yīng)的進行，顯著降低了二氧化碳副產(chǎn)物的生成。

另外，核層中錳金屬助劑向鐵活性物相表面的電子轉(zhuǎn)移顯著提高了烯烴產(chǎn)物的選擇性，并抑制了甲烷副產(chǎn)物的生成。核層碳化鐵活性相與殼層疏水基團的高效協(xié)同，將能拓展出一系列新型的復(fù)合催化劑，通過抑制高耗能的水煤氣變換反應(yīng)，大幅度降低二氧化碳排放，顯著提高碳原子利用效率，有望實現(xiàn)合成氣高效、經(jīng)濟制取烯烴、芳烴、汽油、航油等各種高附加值產(chǎn)品。