锌掺杂铁基催化剂设计助力CO2加氢制液态燃料的高效转化

为解决CO2高效转化为液态燃料（C5+）的难题，研究人员通过共沉淀法制备了锌掺杂铁基催化剂（NaFeZn），在320℃、2 MPa条件下实现28.1%的CO2转化率和21.3%的C5+选择性。该研究揭示了Zn-Fe电子转移促进CO2还原的机制，为碳捕集利用（CCU）技术提供了新策略。

　　

随着全球二氧化碳（CO₂）浓度突破400 ppm，如何将这一温室气体转化为高附加值产品成为科学界焦点。CO₂分子因其稳定的C=O键难以活化，尤其在低温条件下转化效率低下。液态燃料（C₅₊）作为重要的工业原料，其合成过程需通过反向水煤气反应（RWGS）和费托合成（FT）的串联反应实现，但现有铁基催化剂普遍存在活性低、产物分布不均等问题。

为解决这一挑战，陕西榆林职业技术学院等机构的研究团队设计了一系列金属（Al、Co、Cu、Mn、Ni、Zn）掺杂的NaFeMe催化剂。研究发现，锌掺杂的NaFeZn催化剂在320℃、2 MPa和4000 mL·g_cat^-1·h^-1条件下表现最优，CO₂转化率达28.1%，C₅₊选择性21.3%，且稳定性超过100小时。通过H₂-TPR（氢气程序升温还原）和XPS（X射线光电子能谱）证实，Zn的引入引发Zn-Fe强相互作用，促进电子转移并降低CO₂还原能垒。XRD（X射线衍射）显示反应中同时存在Fe₃O₄（RWGS活性相）和χ-Fe₅C₂（FT活性相），而DFT计算表明HCOO**→CO的转化是限速步骤，Zn添加剂可将该步骤吉布斯自由能降低41.2 kJ·mol^-1。

关键技术方法
研究采用共沉淀法制备催化剂，通过H₂-TPR、XPS、XRD、化学吸附等技术表征材料性质，结合DFT计算揭示反应机理。实验在固定床反应器中进行，反应条件为2 MPa、320℃。

研究结果

1. 催化剂制备与结构特性：共沉淀法合成的NaFeZn催化剂呈现高分散Fe₂O₃晶相，Zn掺杂显著提升比表面积（BET测试显示增加约30%）。
2. 反应性能：NaFeZn的CO₂转化率较未掺杂催化剂提升近2倍，C₅₊选择性提高50%，且甲烷副产物占比低于5%。
3. 机理分析：H₂-TPR显示Zn使Fe物种还原温度降低80℃，XPS证实Fe²⁺/Fe³⁺比例提高3倍，促进电子转移。化学吸附实验表明Zn修饰优化了CO₂和CO的吸附位点比例（1:1.2）。

结论与意义
该研究首次阐明Zn掺杂通过双重作用机制提升催化性能：热力学上降低RWGS反应能垒，动力学上促进χ-Fe₅C₂形成。这一发现为设计"碳中性"催化剂提供了新思路，相关成果发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》。作者Tong Zhang、Lei Guo等指出，该技术有望与工业级CCU系统结合，推动CO₂资源化利用的规模化应用。