Pt改性FeZn催化剂提升常压CO2-FTS合成α-烯烃稳定性的研究

《Journal of Fuel Chemistry and Technology》：Study on the enhancement of stability in ambient pressure CO 2-FTS for the production of α-olefins by Pt-modified FeZn catalysts

针对常压CO2-FTS反应中CO和CH4选择性高、催化剂稳定性差的问题，研究人员通过设计Pt改性FeZn催化剂，显著提升CO2转化稳定性，降低副产物选择性，促进C2+烃生成。该研究为低碳资源高效转化提供了新策略。

　　

随着全球碳减排需求的日益紧迫，二氧化碳的资源化利用成为能源化工领域的热点课题。其中，二氧化碳费托合成（CO₂-FTS）技术能够将温室气体CO₂直接转化为高附加值的化学品和燃料，尤其α-烯烃作为重要的化工原料，其绿色合成路线备受关注。在常压条件下进行CO₂-FTS反应具有操作安全、设备投资低等优势，然而该过程长期面临催化剂稳定性差、目标产物选择性不理想等严峻挑战——反应往往伴随大量一氧化碳（CO）和甲烷（CH₄）的生成，而高价值碳氢化合物产率偏低，严重制约其工业化应用。

为解决上述问题，江南大学化学与材料工程学院的研究团队在《Journal of Fuel Chemistry and Technology》上发表论文，系统探讨了铂（Pt）改性铁锌（FeZn）催化剂对常压CO₂-FTS反应性能的增强作用。研究人员设计并制备了Cu、Co、Ru、Pt等多种金属改性的FeZn催化剂，通过对比实验发现Pt的引入对提升催化性能效果最为显著。结果表明，添加6% Pt的FeZn催化剂使CO₂转化率从22.5%提升至27.3%，且在20小时内未出现明显失活；副产物CO和CH₄的平均选择性分别从93.1%和52.9%显著降低至80.0%和20.5%。更令人鼓舞的是，当H₂/CO₂比例从3提高至7时，CO₂转化率进一步升至48.6%，CO选择性骤降至24.0%，而C₂₊烃类产物选择性明显增加，CH₄选择性则降低至约13.1%。特别值得注意的是，在C₂?C₄烃馏分中α-烯烃含量高达90%，且CO和CH₄的选择性趋于稳定，展现出优异的产物调控能力。

为深入揭示Pt的促进机制，研究团队运用多种表征技术对催化剂进行了系统分析。X射线衍射（XRD）和穆斯堡尔谱（MES）结果表明Pt的添加提高了Fe物种的碳化能力，促进了活性相χ-Fe₅C₂的形成，并减小了其晶粒尺寸。H₂-程序升温还原（H₂-TPR）和H₂-D₂交换实验证实Pt显著增强了H₂的解离能力。CO-程序升温脱附（CO-TPD）和CO₂-程序升温脱附（CO₂-TPD）显示Pt改性提高了CO的吸附与解离效率。透射电子显微镜（TEM）和拉曼光谱（Raman）分析表明Pt的引入抑制了石墨碳的形成，减少了包裹在碳化铁纳米颗粒周围的无定形碳层厚度。X射线光电子能谱（XPS）结果进一步揭示了Pt与Fe物种之间的强相互作用，优化了催化剂的电子结构。

催化剂结构表征

通过XRD、TEM等表征发现，Pt改性后的FeZn催化剂中活性相χ-Fe₅C₂的含量增加，晶体尺寸减小，有利于暴露更多活性位点。

反应性能评价

催化测试表明，Pt的引入显著提高了CO₂转化率和C₂₊烃选择性，降低了CO和CH₄等副产物的生成，且催化剂在20小时内保持稳定。

表面性质与反应机理

CO-TPD、H₂-TPR等表征证实Pt增强了CO和H₂的吸附与解离，促进了表面CO*物种的氢化和偶联反应，从而有利于长链烃的形成。

抗积碳性能

Raman和TEM结果显示Pt改性有效抑制了石墨碳的生成，减少了无定形碳沉积，提高了催化剂的抗积碳能力和稳定性。

该研究通过多维度表征与性能测试相结合，明确了Pt在FeZn催化剂中的作用机制：Pt不仅促进了活性相χ-Fe₅C₂的形成，还优化了反应物分子的吸附与活化过程，从而显著提升催化剂的稳定性和产物选择性。这项研究为常压CO₂-FTS反应的高效催化剂设计提供了重要理论依据和实践指导，对推动CO₂资源化利用和低碳烯烃绿色合成技术发展具有重要意义。