朱向学、李秀杰揭示高稳单分散Fe物种在乙烷-CO2耦合脱氢反应中的演变规律

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近日，我所化石能源与应用催化研究部低碳烃综合利用及沸石催化材料研究组（DNL0804组）朱向学研究员、李秀杰研究员团队在低碳烷烃与CO2耦合转化催化剂设计方面取得新进展：在镁铝尖晶石载体上构筑了高稳定性的单分散Fe基催化剂，并通过原位电镜和准原位穆斯堡尔谱揭示了Fe物种分别在有和无CO2参与的乙烷脱氢反应中的演变规律，以及其与催化反应性能的关联。
　　相较于Pt、Cr等商业化烷烃脱氢催化剂，Fe基催化剂因其价格低廉、环境友好等优势获得广泛关注，但在乙烷脱氢等反应温度较高且有还原气氛参与的反应中，如何避免Fe物种烧结碳化仍是亟待攻克的难题。团队前期通过多种原位表征探究了Fe基催化剂在烷烃和CO2耦合反应过程中的相态转变规律及其与催化性能的关系，发现CO2气氛可使Fe基催化剂维持在Fe3O4活性相，抑制碳化铁的生成，获得相对稳定的烷烃和CO2耦合转化制烯烃反应性能（ACS Catal.，2022）。然而，Silicalite-1载体表面Fe物种烧结导致其性能很难通过空气焙烧再生。

　　本工作中，团队发现高含量Fe物种（5wt%）在片状镁铝尖晶石载体上呈现单分散状态，在乙烷直接脱氢反应中表现出较高的初始转化率（约34%），但催化剂在3小时内快速失活。原位电镜、准原位穆斯堡尔谱、XAS等表征发现，单分散Fe物种快速还原、烧结、析出、碳化是导致催化剂失活的主要原因；当CO2引入到反应体系中时，Fe物种在反应过程中始终保持单分散状态，在线反应6小时稳定性良好，反应后期转化率缓慢下降是由于部分六配位Fe3+物种转化为活性较低的四配位Fe2+物种造成的。研究发现，在简单空气气氛下再生焙烧，可将Fe2+完全氧化为Fe3+，使催化性能完全恢复，循环反应6次后Fe物种仍保持单分散状态。该工作为开发高效Fe基烷烃-CO2耦合脱氢催化剂的设计提供了新思路。
　　朱向学、李秀杰团队在低碳烷烃与CO2耦合转化领域进行了系统的研究工作（ACS Sustainable Chem. Eng.，2021；ACS Catal.，2022；ChemCatChem，2022），先期已完成乙烷和CO2耦合转化千吨级/年试验，并通过中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定。
　　相关工作以“Effect of CO2 Co-Feeding on the Stabilization of Atomically Dispersed Iron Species over MgAl2O4 During Ethane Dehydrogenation Reactions”为题，发表在ACS Catalysis上。该工作第一作者是我所DNL0804组博士研究生郑颖滨。该工作得到国家自然科学基金、大连市重点领域创新团队支持计划、中国科学院A类先导专项“变革性洁净能源关键技术与示范”等项目的资助。（文/李俊杰、郑颖滨 图/郑颖滨）
　　文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.3c02029
       文章来源：大连化物所
       朱向学，博士，研究员，2006年毕业于中国科学院大连化学物理研究所获博士学位。自2006年起在中国科学院大连化学物理研究所工作，2008年被聘为项目骨干，2009年被聘为副研究员，2012年晋升为研究员。承担/完成了国家自然科学基金、中科院支撑国家战略新兴产业计划、辽宁省高层次人才计划、大连市高层次人才创新支持计划等科研项目。入选中科院王宽诚率先人才计划、辽宁省百千万人才工程、中科院青年创新促进会、中科院卢嘉锡青年人才奖、大连市杰出青年科技人才和大连市十大杰出青年岗位能手，作为主要完成人获得国家科学技术进步二等奖、中科院科技促进发展奖科技贡献一等奖、辽宁省科技进步一等奖等科技奖励。
       李秀杰,大连化物所研究员。山东淄博人，2002年毕业于山东师范大学，2008年在大连化学物理研究所获博士学位，自2008年以来在中国科学院大连化学物理研究所工作，其中2011年被聘为副研究员，2016年晋升为研究员。自2003年以来在新型分子筛催化材料制备、表征及烃类催化转化领域从事研究工作，对烯烃歧化、异构化、芳构化和二甲醚羰基化等反应过程及催化剂的作用机制进行了系统研究，作为主要完成人获辽宁省科技进步一等奖（2013）、中国科学院科技促进发展奖科技贡献一等奖（2015）等奖励，并入选大连市青年科技之星（2014）。