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大连化物所揭示烷烃与CO2耦合转化过程中Fe基催化剂活性相的演变规律

撰稿: 大连化学物理研究所 发布时间:2022-05-19

  近日,中国科学院大连化学物理研究所低碳烃综合利用及沸石催化材料研究组研究员朱向学和李秀杰团队,与大连理工大学教授郭新闻团队、香港中文大学教授宋春山团队等合作,在低碳烷烃与CO2耦合转化研究方面取得新进展,揭示了不同原料气氛下(CO2/i-C4H10摩尔比)活性相的演变规律:在优选条件下,Fe基催化剂维持在Fe3O4活性相,获得相对稳定的异丁烷—CO2耦合转化制烯烃反应性能。

  Fe基催化剂具有价格低廉、环境友好等优势,被应用于催化低碳烷烃脱氢生产烯烃过程。在此过程中可引入CO2,作为弱氧化剂促进烷烃转化、减少积炭、抑制深度氧化,以及在生产烯烃的同时,得到副产物CO和H2。探究CO2驱动Fe活性相演变的规律对优化其催化性能至关重要。

 

大连化物所揭示烷烃与CO2耦合转化过程中Fe基催化剂活性相的演变规律

  本工作中,合作团队在异丁烷与CO2转化过程中研究发现,在较低的CO2/i-C4H10进料比下,Fe基催化剂中Fe2O3逐渐被异丁烷还原为α-Fe,进而渗碳演变为Fe3C;Fe3C相是异丁烷直接脱氢的主要活性相。研究还发现,在该体系中加入CO2,Fe3C相表现出较高的重整和裂化活性,使CO2转化率提高,丁烯选择性降低,结焦量增加;随着原料中CO2/i-C4H10摩尔比的增加,催化剂中的Fe物种能够长时间保持较高的价态,即维持在Fe3O4相,获得相对稳定的异丁烷转化率和目标产物选择性。该工作将活性相的演变与催化性能相关联,为理解CO2在Fe基催化剂催化烷烃脱氢反应过程中的作用,以及开发高效Fe基催化剂提供了新思路。

  朱向学和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,先期已完成乙烷与CO2耦合转化生产乙烯、CO、H2铁基催化剂技术的中试放大(链接),以及发现铁基双金属催化剂在丙烷与CO2转化过程也呈现出优异性能(ACS Sustainable Chem. Eng.,2021)。

  相关工作以“Elucidating the Active Phase Evolution of Fe-based Catalysts during Isobutane Dehydrogenation with and without CO2 in Feed Gas” 为题,发表在ACS Catalysis上。该工作的第一作者是大连化物所和大连理工大学联合培养硕士研究生王嘉沛。该工作得到国家自然科学基金、中科院洁净能源创新研究院合作基金、兴辽英才计划等项目的资助。

  文献链接:https://doi.org/10.1021/acscatal.1c05907