调控铁催化剂微环境实现高效合成气低碳排放制烯烃新策略

研究人员针对铁基催化剂在合成气制烯烃(FTO)过程中因费托合成与水煤气变换(WGS)反应共存导致的CO2高排放难题，通过构建Fe@C封装结构催化剂微环境，实现了烯烃单程收率>30%且CO2选择性仅20%的突破性成果，为低碳催化提供了新思路。

　　

在能源化工领域，将合成气（CO和H₂混合气）高效转化为高附加值烯烃是连接非石油资源与化学品生产的关键路径。铁基催化剂因其成本低廉、操作灵活等特点，在费托合成制烯烃(FTO)过程中具有重要应用价值。然而该过程始终面临双重挑战：一方面，复杂铁碳化物相(如ε-Fe₂C、χ-Fe₅C₂等)的共存使得催化剂构效关系难以阐明；另一方面，Fe₃O₄相催化的水煤气变换(WGS)副反应导致高达40-50%的CO₂选择性，造成碳资源浪费和环境污染。虽然通过电子结构调控（如添加Na、Mn等助剂）可提高烯烃选择性，但往往加剧WGS反应；而纯相铁碳化物催化剂虽能降低CO₂排放，却面临相变风险且难以实现高转化率。这些矛盾使得开发兼具高烯烃收率和低碳排放的铁基催化剂成为行业难题。

针对这一挑战，国内研究人员在《Science Bulletin》发表创新成果。他们突破传统电子结构调控思路，独辟蹊径地从催化剂微环境设计入手，构建了铁物种封装多孔碳的Fe@C催化剂。该研究采用原位热解碳化法制备催化剂，通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、穆斯堡尔谱(MES)等多维表征技术解析结构特征，结合原位漫反射红外光谱(DRIFTS)和理论计算阐明反应机制。在2 MPa、320℃、空速4000 mL g_cat^-1 h^-1的工业相关条件下，该催化剂创纪录地实现了68.8%CO转化率时46.2%烯烃选择性和31.8%单程收率，同时将CO₂选择性控制在20.7%，性能指标全面超越已报道的氧化物-分子筛、钴基和铁基催化剂。

【Fischer-Tropsch to olefins performance】部分显示，对比传统Fe/AC催化剂，Fe@C在保持相同铁相组成的前提下，烯烃/烷烃比从2.3提升至4.1，C₂-C₄烯烃在总烯烃中占比达72.5%。通过同位素示踪和动力学分析证实，碳封装结构产生的限域效应能显著富集烯烃中间体并抑制其加氢反应。

【Conclusion】部分指出，该研究揭示了微环境调控的新机制：多孔碳壳层既加速H₂O分子扩散以抑制WGS反应，又通过物理限域作用延长烯烃中间体停留时间，促进链增长而不引发过度氢化。这种"双功能"调控策略突破了传统催化剂设计中活性与选择性此消彼长的限制，为开发高效低碳催化体系提供了普适性方法。

这项研究的重要意义在于：首次从分子扩散工程角度实现了FTO与WGS反应的解耦控制，所提出的微环境调控策略适用于含Fe₃O₄相的常规铁基催化剂，避免了纯相铁碳化物制备的复杂性。该成果不仅为合成气制烯烃工艺提供了可直接应用的催化剂方案，其"通过扩散控制实现选择性催化"的核心思想还可拓展至其他多相催化体系，对推动绿色化工发展具有重要指导价值。