基于叶状二维ZIF衍生的高分散Ir-Co纳米颗粒催化剂在费托合成中高效制备液体燃料的研究

推荐：研究人员针对费托合成(FTS)催化剂活性低、选择性差的问题，开发了叶状二维ZIF衍生的Ir-Co双金属催化剂。该催化剂通过结构优化和Ir掺杂，显著提升CO转化率(31.6%)和C5+选择性，同时抑制CH4生成，为清洁能源转化提供了高效催化体系。

　　

在全球能源转型背景下，如何将合成气(CO+H₂)高效转化为清洁液体燃料成为研究热点。费托合成(Fischer-Tropsch Synthesis, FTS)作为关键催化过程，其核心挑战在于开发兼具高活性与选择性的钴基催化剂。传统催化剂面临活性位点暴露不足、金属-载体强相互作用导致失活等问题，而碳基载体虽能减弱相互作用，却存在热稳定性差和金属分散度低的缺陷。韩国化学技术研究院的Ji Won Lee团队创新性地将沸石咪唑酯骨架材料(ZIF)的结构优势与贵金属铱(Ir)的电子调控作用相结合，在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表了突破性解决方案。

研究团队采用溶剂调控法构建叶状二维Co 2D ZIF前驱体，通过精确控制热解条件获得具有介孔结构的碳载体，并引入Ir形成双金属体系。关键技术包括：(1)水相合成二维ZIF实现形貌调控；(2)500°C优化碳化保留介孔结构；(3)原位XRD追踪hcp Co⁰相形成；(4)HAADF-STEM结合EDS mapping确认Ir-Co纳米颗粒分布；(5)氢化学吸附定量活性位点。研究选用商业碳载体(Vulcan XC-72和活性炭)作为对照，在230°C、20 bar条件下进行40小时FTS性能评价。

【2.1节】通过溶剂工程将传统ZIF的500 nm多面体结构转变为二维叶状形貌，比表面积达152.7 m²/g，介孔体积提升至0.071 cm³/g。这种结构使Co纳米颗粒(6.5 nm)表面暴露度提高1.7倍，CO转化率较传统ZIF催化剂提升3.1倍。

【2.3节】引入Ir后形成双金属Ir-Co 2D ZIF催化剂，XPS显示Ir 4f结合能负移(61.7→60.5 eV)，证实电子从Co向Ir转移。HRTEM观察到晶面间距从2.02 ?(fcc Co⁰)扩展至2.17 ?，表明Ir-Co合金形成。当Ir/(Ir+Co)达0.15时，hcp Co⁰相比例提升至50%，其表面能(2.34 J·m^-2)高于fcc相(2.18 J·m^-2)，促进纳米颗粒生长至13.7 nm。

【催化性能】0.09 Ir-Co 2D ZIF展现出最优性能：CO转化率31.6%是Co/AC的3.2倍，TOF达2.7×10^-3 s^-1。hcp Co⁰相使CH₄选择性从14.3%降至4.1%，C₅₊产物分布向C₁₅-C₂₁长链偏移。液体燃料产率较传统ZIF催化剂提高12倍，证实介孔结构缓解了蜡质产物扩散限制。

该研究通过"结构设计-电子调控"双策略，首次在ZIF衍生催化剂中实现hcp Co⁰相稳定化，为FTS催化剂设计提供新范式。Yang Sik Yun等强调，Ir的引入不仅优化了Co粒径(8-13 nm最佳活性区间)，还通过双金属效应降低CO活化能垒。相较于传统氧化铝载体，碳基ZIF材料避免了钴铝酸盐生成，使活性位点本征活性得到准确评估。这项工作为碳中和背景下生物质/煤基合成气转化提供了高效催化方案，其叶状二维结构设计理念可拓展至其他能源转化催化剂体系。