近日，我校刘小浩教授团队创造性地构建Na调节的Fe-Ni双金属费托催化剂与HZSM-5分子筛耦合用于合成气（CO/H2）一步制轻质芳烃取得重要进展，研究成果以封面文章（图1）发表在催化领域重要期刊《ACS Catalysis》（ACS Catal.2021, 11, 3553-3574），该论文化工学院博士研究生王廷、胥月兵副教授和硕士研究生李玉峰为共同第一作者，我校化工学院刘小浩教授为通讯作者。
习近平主席在第75届联合国大会做出庄重承诺，中国CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。这一承诺改变了全球和中国应对气候变化进程的格局，碳中和走到了舞台的中央，成为中国现代化建设的核心议题。在气候雄心峰会上，习近平主席进一步宣布了国家科技支撑要在实现碳中和愿景中发挥至关重要的作用，全力推动全球生态文明建设和构建人类命运共同体。
甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）是具有强温室效应的两种含一个碳原子的分子，将它们直接催化转化或先转化为合成气（CO/H2）后再催化加氢大规模合成大宗平台化合物分子（烯烃/芳烃）是实现碳中和的重要途径之一。过去几年中，江南大学刘小浩团队围绕这一攸关人类命运共同体的研究方向，在CH4转化（Chemical Communications,2020, 56, 4396-4399;Journal of Catalysis,2020, 387, 102-118;Journal of Catalysis,2021, DOI. 10.1016/j.jcat.2021.02.028）、CO2加氢（ChemCatChem,2016, 8, 1303-1307;ChemCatChem,2018, 10, 4718-4732;Catalysis Science & Technology,2019, 9, 539-610;Catalysis Science & Technology,2019, 9, 3933-3946;ACS Catalysis,2020, 10, 11493-11509）和CO/H2催化转化（Applied Catalysis B: Environmental,2017, 210, 1-13;Catalysis Science & Technology,2017, 7, 4609-4621;ACS Catalysis,2019, 9, 7073-7089;ACS Catalysis,2020, 10, 2799-2816;ACS Catalysis,2021, 11, 3553-3574）的研究中取得了一系列成果，为碳中和目标贡献力量。
费托合成是将合成气（H2/CO/CO2）直接转化为超清洁燃料和高价值化学品的重要技术途径。铁基催化剂是常用的费托合成催化剂，它与烃类产物在HZSM-5上催化转化为芳烃具有相匹配的反应条件，这为将两种催化剂耦合在单反应器中一步催化合成气转化制芳烃成为可能。然而，这两类催化剂在固定床反应器中均容易失活，且反应过程极其多样复杂、难于控制，这使得合成气（CO/H2）在单反应器中一步高效制芳烃极具挑战。江南大学刘小浩团队创造性地构建Na调节的Fe-Ni双金属费托催化剂用于这一催化过程，同时解决了两类催化剂（金属与分子筛）的稳定性和选择性存在的问题（图1）。
具体结论如下：金属Ni本是CO加氢反应产生CH4的副反应活性中心，不利于烯烃的生成。然而，少量的Ni引入传统的铁基费托催化剂，一方面通过Ni接受Fe的电子有效地调控了CO在Fe活性位点上的吸附解离行为，显著改善了费托催化剂的稳定性；另一方面，Fe-Ni界面处电子积聚而引起的电子排斥效应，减弱了CH2*和其它烷基-金属短链物种与活性中心的结合强度，从而抑制了表面CH2*物种的连续加氢生成不期望的CH4产物，而且这些表面短链物种CnH2n*（n=2~4）难于进行链增长、更容易脱附生成期望的低碳烯烃，打破了费托合成反应经典的表面链增长规律（图1）。同时，Ni的引入使费托合成生成的C5+（含五个碳原子以上的产物）具有更短的链长，其扩散进入HZSM-5分子筛孔道反应主要生成高价值的轻质芳烃（液相产物中总芳烃选择性达到~99%，其中甲苯、乙苯和二甲苯轻质芳烃选择性为~65.7%），且具有较好的催化稳定性（图2）。因此，通过构建Na调节的Fe-Ni双金属费托催化剂与分子筛耦合，在单反应器中实现了气相生成高价值的低碳烯烃，液相高选择性生成高价值的轻质芳烃，且大幅改善了铁基费托催化剂和HZSM-5分子筛催化剂的稳定性。
该项研究为如何调控铁基费托催化剂的稳定性和选择性，以及通过催化剂结构设计为两类催化剂创造合适的表面微反应环境来提高它们的稳定性和高价值产物选择性提供了重要的科学理论基础。研究工作得到了国家自然科学基金项目（21576119, 21606108, 21706098, 21878127）、内蒙古自治区关键技术攻关计划和鄂尔多斯市重大专项等项目的资助。
《ACS Catalysis》2020年影响因子为12.35，是美国化学会的旗舰期刊，主要刊登催化化学领域高水平的研究成果，属于化学学科Top期刊与中科院1区期刊。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c00169
图1.文章封面
图2.费托催化剂组成和反应产物分布对分子筛的稳定性及生成芳烃的影响
