大连化物所揭示高稳单分散Fe物种在乙烷-CO2耦合脱氢反应中的演变规律
- 2023/8/23 14:19:02 17108
- 来源:大连化物所 文/李俊杰、郑颖滨 图/郑颖滨
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。该工作第一作者是大连化物所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。
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