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ACS Catalysis：预处理诱导的ZnO/Na-Fe2C工作界面用于CO2加氢制C2+含氧化合物

云深
2026-09-02


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全文概要

美国橡树岭国家实验室Yuanyuan Li等研究团队报道了一种Na掺杂Zn-Fe催化剂（Zn:Fe = 1:3，0.3 wt% Na），通过不同预处理条件（未预处理、H₂预处理、CO预处理、H₂+CO预处理）调控催化剂结构，显著影响CO₂加氢制C₂+含氧化合物的性能。其中H₂+CO预处理催化剂在稳态下C₂+含氧物STY为未预处理催化剂的45倍。结合operando XRD、STEM、XPS、Mössbauer光谱和DRIFTS等多技术表征，揭示反应条件下Fe碳化物和ZnO是主导相，而H₂+CO预处理催化剂的特征在于Fe₂C相占优而非其他催化剂中常见的Fe₅C₂相。研究表明ZnO与Fe碳化物之间的紧密界面相互作用是促进C-C偶联生成高级醇的关键，预处理条件本质上调变了反应前Zn与Fe相的初始相互作用。基于此机制理解，提出了失活催化剂的再生策略。

本文要点

  1. 催化性能差异：四种预处理状态催化剂的CO₂转化率和C₂+含氧物选择性差异显著，性能顺序为H₂+CO预处理 > CO预处理 > H₂预处理 > 未预处理。稳态下H₂+CO预处理催化剂的C₂+含氧物STY达到45 mg gcat⁻¹ h⁻¹，为未预处理催化剂的45倍，乙醇为主要产物。

  2. 物相演化追踪：operando XRD显示，未预处理催化剂在反应条件下形成~66% Fe₅C₂和34% ZnO；H₂+CO预处理催化剂则以Fe₂C为主相（约占46%），Fe₅C₂仅约17%，ZnO约37%。Mössbauer光谱证实Fe₂C相比Fe₅C₂更易被空气氧化，说明基于ex situ表征可能低估Fe₂C的重要性。

  3. 界面结构关键性：STEM-EDX显示H₂+CO预处理催化剂中ZnO/Na物种紧密附着于Fe物种表面（覆盖率~73%，反应初期），随反应进行Zn/Na与Fe逐渐分离（覆盖率降至68%），对应CO₂转化率下降。XPS表明预处理促使Zn向Fe表面迁移，H₂+CO预处理催化剂中约49%的Fe原子被ZnO/Na覆盖，为所有样品中最高。

  4. 反应机理与再生：DRIFTS显示H₂+CO预处理催化剂表面CHx物种更丰富，且乙醇吸附更弱（乙醇-TPD证实），有利于产物快速脱附维持活性位周转。基于ZnO(Na)-Fe碳化物界面的认识，采用O₂氧化再生+H₂+CO再处理策略，再生后催化剂C₂+含氧物STY提升至61 mg gcat⁻¹ h⁻¹，超过初始最高值。

Figure 1. Refer to the image caption for details.

文献详情

Zhuoran Gan, Caiqi Wang, George Yumnam, Alexandre C. Foucher, Harry Meyer III, Raphael P. Hermann, Zili Wu, and Yuanyuan Li. Revealing a Pretreatment-Induced ZnO/Na-Fe₂C Working Interface for CO₂ Hydrogenation to C₂+ Oxygenates, ACS Catalysis (2026) DOI: 10.1021/acscatal.6c04643

全文链接

https://doi.org/10.1021/acscatal.6c04643





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