近日，我院王野教授课题组在费托合成高效催化剂的研究方面取得新进展，相关成果以“Iridium boosts the selectivity and stability of cobalt catalysts for syngas to liquid fuels”为题发表于Chem (2022, https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.12.016)。
费托合成即合成气(CO/H2)催化转化制备液体燃料是碳基能源催化领域的重要过程，金属钴是该反应的一类高效催化剂。然而，Co催化剂易生成CH4等低值烃，选择性达到10-15%，降低了碳利用效率，同时还带来极高的分离能耗。Co催化剂在反应过程中还易发生氧化、烧结，导致失活。设计低CH4选择性、高稳定性Co催化剂是该研究领域的关键挑战。另一方面，贵金属如Ru、Re、Pt等常用于Co催化剂助剂，以提高催化性能。迄今，贵金属助剂的作用本质仍缺乏认识。虽然一般认为贵金属促进Co前驱体还原，但对其能否提升选择性和稳定性仍存在争议。探究贵金属的作用机制对于发展高性能费托合成催化剂极为重要。
基于此，王野课题组与程俊课题组、Kansas大学Franklin Tao、上海交通大学刘晰等合作，构建了贵金属Ir修饰的纳米Co催化剂，实现合成气高选择性、高稳定性转化制液体燃料。通过DFT计算预测贵金属助剂的作用，发现贵金属Ru、Re、Ir可稳定Co为六方(HCP)晶相，降低CO解离能垒，提高CH4生成能垒，从而提升催化剂活性，降低CH4选择性。构建贵金属Ir修饰的Co/CNT催化剂(Ir-Co/CNT)，费托合成反应产物C5+烃选择性高达95%，CH4选择性低至2.7%，催化剂稳定性优异，超过1300小时未见失活。揭示了贵金属Ir助剂对Co催化剂和费托合成性能的调控作用：Ir改变Co纳米粒子表面几何结构，形成HCP相Ir-Co单原子合金，促进CO解离，提高催化活性；调控Co表面电子结构，改变CO和H2 的吸附，提高表面吸附C物种覆盖度和生成CH4能垒，降低CH4选择性；提高抗氧化能力，延长催化剂寿命。研究为设计高效费托合成催化剂，深入认识多相催化中助剂的作用提供了重要指导。
该工作是多个团队紧密合作的成果。我院王野课题组负责催化剂合成、催化剂性能评价和部分催化剂表征，程俊课题组负责DFT计算，堪萨斯大学Franklin Tao负责原位XAS表征，上海交通大学刘晰负责原位电镜表征。我院康金灿高工、博士后樊祺源、2017级博士生周伟(现苏黎世联邦理工学院博士后)为论文共同第一作者。研究得到国家重点研发计划(2019YFE0104400)，国家自然科学基金创新研究群体(22121001)、重大研究计划集成项目(91945301)等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.12.016
