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Nature Mater（亮点）：空心核壳Fe2O3-HZSM-5级联催化合成气转化

纳米技术

2022-05-23

催化是实现可持续能源应用、燃料、化学品制备等过程的关键，通常为了生成特定产物和性质，需要多个催化反应步骤。通过消除其中的部分步骤或者化学反应器能够更加实现更加经济的过程，通过设计多功能催化剂实现催化多个反应，能够实现这个目标。

最近，厦门大学王野、荷兰乌德勒支大学Bert M. Weckhuysen等报道发展了一种双层空心结构催化剂，其中两层材料中的内层为金属氧化物，外层为分子筛。这种双层结构催化剂的制备方法非常简单，首先制备分子筛晶体，将分子筛修饰在修饰金属离子的碳球表面，随后进行煅烧和分子筛晶粒生长和煅烧。通过各种原位、非原位光谱表征方法对制备过程的各个不同步骤对于最终生成的产物结构进行研究。制备多层催化剂的过程关键步骤是金属离子掺杂碳球的空心化形成金属氧化物的过程，该过程通过碳球中的碳受热氧化分解，随后通过逐渐的向内部晶化、内部物种消除，因此生成中空结构，这种过程对应于Kirkendall效应过程。制备空心多层空心球催化剂的另一个重要过程是，分子筛纳米粒子在碳球表面自组装，这种自组装是由于vdW相互作用、分子筛-碳球之间的离子强度和氢键作用增强导致。合成过程能够对氧化物、分子筛层的厚度和直径进行控制，展示了这种合成方法学的普适优点。由于这项工作的重要意义，开普敦大学Michael Claeys对该研究工作进行总结。

本文要点：

(1)

作者在对合成的一系列样品（不同氧化物、分子筛成分）进行催化性能表征，发现Fe₂O₃-H-ZSM-5结合构建的催化剂能够催化合成气级联制烃反应。这种催化剂当300 ℃通过铁内层催化剂的F-T催化，实现了较好的短链烯烃选择性（C_2-4=60 %）。生成的短链烯烃能够在外层H-ZSM-5进行聚合和异构，生成C_5-11烃类产物。

(2)

与块体Fe₂O₃催化剂、传统方法合成的物理混合型核壳结构Fe₂O₃/H-ZSM-5、通过浸渍法在H-ZSM-5表面修饰Fe₂O₃得到的催化剂进行对比，发现合成的空心球结构双层催化剂实现了更好的合成气转化性能。这种更好的催化反应作用来自空心球结构对合成气产生限域作用，能够进一步改善在外层分子筛壳上进一步催化反应生成C_5-11产物和异构化产物。