在Fe基催化剂上通过CO中间路线(CO2-FTS)设计串联工艺是CO2加氢制备长链产品的一种有效策略。CO2-FTS路径由两个连续的过程组成: 吸热逆水煤气变换反应(RWGS)和随后的放热Fischer–Tropsch合成(FTS)过程。这两个过程的耦合可以显著提高能效和反应速率。
值得注意的是，两个活性中心(RWGS和FTS)之间的协同作用和催化剂的多孔结构不仅影响催化活性，而且影响催化剂的重烃选择性和传质性能。同时，由于CO2总加氢反应本质上是强放热反应，由于催化剂床层内积热剧烈，控制催化剂床层内的温度分布和热点温度至关重要。因此，寻找一种具有最佳的中间协同性、良好的传质性能和高的传热效率的多中心CO2加氢催化剂是非常可取的，这对于优化催化剂对长链烃的选择性和将来扩大整个过程至关重要。近日，北京化工大学王周君、北京低碳清洁能源研究院邢爱华和刘意等通过一种简便的水热合成法成功合成了高性能的Fe基CO2加氢催化剂，其中铁氧化层与促进剂(Mn和K)纳米颗粒紧密结合在泡沫Fe载体的表面(FF@FeOx–Mn–K)。这种具有大孔开放结构和金属Fe骨架的高稳定性催化剂有助于实现催化过程中不饱和产物的快速迁移和反应热的移除。同时，这种独特的异质结构也导致双功能活性位点和促进剂(Mn和K)之间形成丰富的界面，有助于产生最佳的位点间协同作用。性能测试结果显示，在工业相关条件下，该大孔FF@FeOx–Mn–K催化剂的C2+烯烃收率高达29.6%，选择性为77%，CO2转化率>40%，同时CO副产物选择性非常低(5.5%)。此外，在超过1000小时的CO2加氢反应中，FF@FeOx–Mn–K的CO2转化率仅下降5%，显示出优异的稳定性。原位光谱表征和理论计算表明，FF@FeOx–Mn–K上较高的烯烃产率与适当比例的RWGS和FTS活性中心和多个界面中心的丰富电子密度有关，这阻止了H*的吸附，并增强了Fe中心对CO2的吸附。同时，促进剂(Mn和K)的加入增强了C−C偶联反应，并抑制了CO2甲烷化或烯烃二次加氢反应。综上，通过在金属泡沫骨架上原位生长多个界面活性中心，有助于实现最佳的中心间协同效应，这为开发先进、稳定的多中心CO2加氢催化剂提供了设计思路。Stable three-dimensional macroporous iron-foam catalyst for direct conversion of CO2 to olefins. ACS Catalysis, 2024. DOI: 10.1021/acscatal.4c03148
