武大今年首篇Science文章！

纳米技术

2021-02-22

第一作者：Yanfei Xu

通讯作者：定明月

通讯作者单位：武汉大学

通过CO、H₂组成的合成气，能够对生物质、天然气等非石油原料出发通过费托合成转化为化学品。但是，在合成烯烃这种关键化学品的过程中，通常50 %的CO原料将转化为CO₂和CH₄，导致大量CO消耗在副反应中。为了解决这种严重的副反应，武汉大学定明月等报道了设计一种FeMn@Si催化剂，具体结构为Fe纳米粒子进行Mn掺杂，随后包覆一层修饰有甲基的二氧化硅。

通过修饰甲基，材料形成疏水性SiO₂表面，H₂O在催化剂界面的停留时间降低，从而抑制了生成CO₂和CH₄的副反应、抑制了金属碳化物的氧化。从而将CO₂和CH₄的选择性降低于22.5 %以下，实现了在CO转化率为56.1 %的过程中，烯烃选择性达到36.6 %。格罗宁根大学Jingxiu Xie对本工作进行总结同时对其意义进行评述。

图1. 疏水性界面催化剂的构建

通过水接触角测试、水蒸气吸附/脱附测试验证了催化剂的疏水性特征。二氧化硅层保护稳定了铁的碳化物，防止其氧化为氧化铁。除了能够抑制反应生成CO₂，还通过疏水性作用防止和水反应继续生成CO₂；

对于抑制生成CH₄的副反应，作者通过在碳化铁中掺杂Mn，改善C-C键的偶联生成高级烃。

催化活性

进一步的，作者考察了工业类似过程中反应情况，在320 ℃，20 bar，H₂/CO=2的反应条件中，实现了56 %的CO转化，同时烯烃选择性高于60 %。在相关副反应中：13 %的CO₂选择性，甲烷选择性低于10 %。

这种构建疏水界面的过程非常巧妙，可以用于其他类型需要避免水作用的相关反应。

该催化剂在CO转化率上高于各类报道的优异活性催化剂，而且长时间工作过程中能够保持稳定，反应对CH₄/CO₂副反应的抑制效果显著高于各类对比催化剂的性能。

图2.催化剂活性和性能对比

参考文献：

Yanfei Xu, Xiangyang Li, Junhu Gao, Jie Wang, Guangyuan Ma, Xiaodong Wen, Yong Yang, Yongwang Li, Mingyue Ding*, A hydrophobic FeMn@Si catalyst increases olefins from syngas by suppressing C1 by-products, Science 2021, 371(6529), 610-613

DOI: 10.1126/science.abb3649

https://science.sciencemag.org/content/371/6529/610

Jingxiu Xie, Designing the right protection, Science 2021, 371(6529), 577

DOI: 10.1126/science.abg1750

https://science.sciencemag.org/content/371/6529/577