世界首个近零CO2费托合成铁催化剂

hongye

研究亮点：

1. 发展了一种普适性的纯相碳化铁合成方法，首次100%纯相稳定合成了一直被认为不稳定的费托合成活性相“ε-碳化铁”，在高温高压工业费托合成条件下可稳定存在400 h以上。

2. 实现了费托合成铁催化剂本征CO2副产物选择性为0，打破了以往认为费托合成铁催化剂具有高CO2选择性的认识。

3. 采用同类研究中罕见的系列原位表征技术，从多角度确认了物相与纯度，并以高清ETEM技术拍摄到了ε-碳化铁形成的中间体图像。

我国化石能源的特点是富煤、缺油、少气，实现煤炭资源利用从高碳向低碳最终走向无碳的转换，是保持我国能源、经济、环境协调发展的重要途径。煤间接液化技术可以实现煤向石油产品与高价值化学品的转化，是多相催化领域的研究热点。

费托合成催化剂分为铁基与钴基两类，其中费托合成铁基催化剂具有硫耐受性高，成本低，操作弹性大，高附加值化学品选择性高的优点，特别适用于煤间接液化技术，即煤基费托合成技术。传统费托合成铁基催化剂，通常会有约30％以上的CO反应物转化为CO2，这些CO2在费托合成阶段不仅难以捕获利用，反而会消耗大量能源，浪费操作成本。

有鉴于此，北京低碳清洁能源研究院王鹏以及荷兰埃因霍芬理工大学Emiel J. M. Hensen等人合作，在世界范围首次合成了以稳定纯相“ε-碳化铁”为活性相的新型费托合成铁基催化剂，其本征CO2选择性为零。

经原位X射线衍射（in situ XRD）与现场高压原位穆斯堡尔谱(Operando MӧssbauerSpectra)证明，其纯度为100%，且在250 oC，23 bar工业费托合成条件下可稳定催化400 h以上。本研究提升了费托合成铁基催化剂的经济与技术应用价值，为费托合成铁基催化剂提供了新的发展方向。

图1 “ε-碳化铁”催化的费托合成：零CO2选择性制备碳氢化合物 (by Robin J.P. Broos)

总之，本研究在世界上首次提供了一种CO2选择性接近于零的费托合成铁基催化剂，其中的关键技术在于纯相“ε-碳化铁”的稳定合成。研究打破了以往认为“ε-碳化铁”在200 oC以上费托合成气氛下无法稳定存在的观点。

全新的“ε-碳化铁”催化剂理论上可以使费托反应器中几乎不产生CO2。一方面为煤间接液化产业大量减少能源消耗和运营成本。另一方面，在传统工艺中CO2产生于“费托合成+水煤气变换”两单元，在新技术下则全部产生于“水煤气变换单元”中产生，这使二氧化碳捕集非常容易，为煤间接液化技术（ICTL）与CO2捕集，利用和存储（CCUS）技术的结合扫平了障碍。

参考文献：

Peng Wang, Wei Chen, Emiel J. M. Hensen etal. Synthesis of stable and low-CO2 selective ε-iron carbide Fischer-Tropschcatalysts. Science Advances 2018.

http://advances.sciencemag.org/content/4/10/eaau2947