费托合成中不同碳化铁物种活性有何不同？

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论文DOI：10.1016/j.apcatb.2020.

全文速览

本文以常规SiO2、α-Al2O3粉末和α-Fe2O3粉末为催化剂前驱体，采用简单机械混合的方式制备了不同费托合成铁基催化剂，催化剂表征结果表明在Si-Fe，Al-Fe界面处有利于形成富碳型碳化铁ε-Fe2C。尽管在FTS反应中通常以χ-Fe5C2作为有效的活性相，但是通过原位红外、原位 XPS、穆斯堡尔谱（MES）等表征手段发现ε-Fe2C更有利于提高费托合成反应活性。

背景介绍

费托合成（FTS）铁基催化剂被认为是将合成气直接转化为化学品和燃料的最有前景催化剂之一，而碳化铁被广泛认为是铁基催化剂的活性相。自从费托合成反应被发现以来，研究人员致力于提高铁基催化剂性能的同时，研究费托合成反应期间不同碳化铁相与催化性能之间的关系。尽管付出了巨大的努力并取得了一定的成就，但到目前为止，费托合成反应中碳化铁活性相的形成以及对反应性能的影响仍存在争议。

本文亮点

① 采用简单机械混合的方式制备了α-Fe2O3、SiO2/α-Fe2O3=1，α-Al2O3/α-Fe2O3=1铁基催化剂，

② 排除了孔径、扩散、活性金属分散度、助剂等因素的影响，

③ Al2O3/α-Fe2O3=1催化剂的CO转化率是α-Fe2O3的3.3倍，

④ Fe-Si或Fe-Al的相互作用影响了Fe原子的电子状态，促进了富碳型碳化铁ε-Fe2C的形成，在费托合成反应过程中ε-Fe2C更有利于提高费托合成反应活性。

图文解析

▲Figure 1. HR-TEM of catalysts after FTS reaction: a) α-Fe2O3 catalyst, b) SiO2/α-Fe2O3=1 catalyst, c) and d) Al2O3/α-Fe2O3=1 catalyst. Reaction conditions: 280°C, 1.0 MPa, H2/CO=1, GHSV=10000 mL/g-Fe2O3·h-1.

▲Figure 2. In-situ XPS spectra of Fe 2p for various used catalysts.

▲Figure 3. Mossbauer spectra of various used catalysts after FTS reaction. Reaction conditions: 280°C, 1.0 MPa, H2/CO=1, GHSV=10000 mL/g-Fe2O3·h-1.

▲Figure 4. In-situ CO-DRIFT spectra of the reduced catalysts. a) Al2O3/α-Fe2O3=1;b) SiO2/α-Fe2O3=1; c) α-Fe2O3.

总结与展望

我们以无孔α-Fe2O3粉末为催化剂前驱体，排除孔径、扩散、活性金属分散度、助剂等因素的影响，不仅揭示了SiO2和Al2O3的在费托合成反应中的作用，而且还阐明并比较了不同碳化铁对CO的加氢活性。基于FTS反应性能，发现由于SiO2和Al2O3存在，催化剂活性大大提高。催化剂的表征结果表明，在SiO2/α-Fe2O3=1催化剂和Al2O3 /α-Fe2O3= 1催化剂表面形成了富碳型ε-Fe2C；与χ-Fe5C2和θ-Fe3C相比，少量的ε-Fe2C就可以大大提高催化剂活性，表明ε-Fe2C具有更高的费托合成反应活性。总之，使用一种简单的方法，不仅证明了催化活性与碳化铁之间存在明显的相关性，而且更好地理解了惰性氧化物在不同碳化铁形成过程中的作用。