近日，我所化石能源與應用催化研究部低碳烴綜合利用及沸石催化材料研究組（DNL0804組）朱向學研究員、李秀杰研究員團隊在低碳烷烴與CO₂耦合轉化催化劑設計方面取得新進展：在鎂鋁尖晶石載體上構筑了高穩定性的單分散Fe基催化劑，并通過原位電鏡和準原位穆斯堡爾譜揭示了Fe物種分別在有和無CO₂參與的乙烷脫氫反應中的演變規律，以及其與催化反應性能的關聯。

　　相較于Pt、Cr等商業化烷烴脫氫催化劑，Fe基催化劑因其價格低廉、環境友好等優勢獲得廣泛關注，但在乙烷脫氫等反應溫度較高且有還原氣氛參與的反應中，如何避免Fe物種燒結碳化仍是亟待攻克的難題。團隊前期通過多種原位表征探究了Fe基催化劑在烷烴和CO₂耦合反應過程中的相態轉變規律及其與催化性能的關系，發現CO₂氣氛可使Fe基催化劑維持在Fe₃O₄活性相，抑制碳化鐵的生成，獲得相對穩定的烷烴和CO₂耦合轉化制烯烴反應性能（ACS Catal.，2022）。然而，Silicalite-1載體表面Fe物種燒結導致其性能很難通過空氣焙燒再生。

　　本工作中，團隊發現高含量Fe物種（5wt%）在片狀鎂鋁尖晶石載體上呈現單分散狀態，在乙烷直接脫氫反應中表現出較高的初始轉化率（約34%），但催化劑在3小時內快速失活。原位電鏡、準原位穆斯堡爾譜、XAS等表征發現，單分散Fe物種快速還原、燒結、析出、碳化是導致催化劑失活的主要原因；當CO₂引入到反應體系中時，Fe物種在反應過程中始終保持單分散狀態，在線反應6小時穩定性良好，反應后期轉化率緩慢下降是由于部分六配位Fe³⁺物種轉化為活性較低的四配位Fe²⁺物種造成的。研究發現，在簡單空氣氣氛下再生焙燒，可將Fe²⁺完全氧化為Fe³⁺，使催化性能完全恢復，循環反應6次后Fe物種仍保持單分散狀態。該工作為開發高效Fe基烷烴-CO₂耦合脫氫催化劑的設計提供了新思路。

　　朱向學、李秀杰團隊在低碳烷烴與CO₂耦合轉化領域進行了系統的研究工作（ACS Sustainable Chem. Eng.，2021；ACS Catal.，2022；ChemCatChem，2022），先期已完成乙烷和CO₂耦合轉化千噸級/年試驗，并通過中國石油和化學工業聯合會組織的科技成果鑒定。

　　相關工作以“Effect of CO₂ Co-Feeding on the Stabilization of Atomically Dispersed Iron Species over MgAl₂O₄ During Ethane Dehydrogenation Reactions”為題，發表在ACS Catalysis上。該工作第一作者是我所DNL0804組博士研究生鄭穎濱。該工作得到國家自然科學基金、大連市重點領域創新團隊支持計劃、中國科學院A類先導專項“變革性潔凈能源關鍵技術與示范”等項目的資助。（文/李俊杰、鄭穎濱 圖/鄭穎濱）

　　文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.3c02029 

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