近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所化石能源與應用催化研究部低碳烴綜合利用及沸石催化材料研究組研究員朱向學(xué)和李秀杰團隊在正丁烷與CO₂耦合轉化制丁二烯反應中催化劑結構原位重構方面取得新進(jìn)展：通過(guò)有機物輔助熱解法制備了ZnFe₂O₄和Fe₂O₃催化劑，系統對比研究了其在正丁烷-CO₂耦合轉化的反應性能，結合XPS、Raman、TEM等表征技術(shù)，揭示了二者反應與失活機制的差異，發(fā)現Fe₂O₃經(jīng)多次循環(huán)再生后催化性能逐漸修復，積碳失活速率常數由新鮮催化劑的0.17h^-1逐漸降低至接近零。

　　Fe基催化劑因其價(jià)格低廉、環(huán)境友好、活化CO₂能力強等優(yōu)勢受到研究者的廣泛關(guān)注，但烷烴脫氫反應的高溫和還原性氣氛導致鐵基催化劑易被還原，進(jìn)而引發(fā)結焦和燒結失活。如何提升鐵基催化劑抗還原能力，抑制其結焦和燒結失活是亟待解決的難題。

大連化物所揭示氧化鐵催化劑在正丁烷-CO₂耦合脫氫反應中原位重構與性能修復機制

　　在本工作中，團隊系統探究了ZnFe₂O₄和Fe₂O₃催化劑的構效關(guān)系：ZnFe₂O₄具有較強CO₂吸附能力，導致其表面易發(fā)生重整反應，加之其易燒結的特點(diǎn)，在反應過(guò)程中表現出快速和不可逆失活特征（0.77h^-1→1.00h^-1）；而Fe₂O₃催化劑因其良好的補氧釋氧能力和弱CO₂吸附能力，表現出高的丁二烯選擇性（約40%）和低的失活速率（0.19h^-1）。

　　最終，團隊通過(guò)循環(huán)再生過(guò)程實(shí)現了Fe₂O₃催化性能的逐步修復，并基于失活動(dòng)力學(xué)，對相變失活和結焦失活過(guò)程進(jìn)行了拆分。研究發(fā)現，在再生循環(huán)實(shí)驗過(guò)程中，反應初期因Fe₂O₃相變和表面還原導致再生催化劑與新鮮催化劑表現出相近的失活速率；隨著(zhù)反應再生循環(huán)次數增加，積碳失活過(guò)程逐漸減緩，積碳失活速率常數由新鮮催化劑的0.17h^-1逐漸降低至第5個(gè)循環(huán)測試的0.01h^-1，積碳失活過(guò)程基本被終結。團隊借助Raman、XPS、TEM等表征技術(shù)系統分析了循環(huán)再生后催化劑的表面結構和化學(xué)性質(zhì)，明晰了Fe₂O₃催化劑抗還原、抗積碳能力提升的本質(zhì)原因。該工作為高穩定Fe₂O₃催化劑的制備提供了新思路。

　　近年來(lái)，朱向學(xué)、李秀杰團隊在烷烴-CO₂耦合轉化開(kāi)展了大量研究，圍繞乙烷、丙烷、丁烷與CO₂耦合轉化反應，從高分散鐵物種穩定、活性相結構演變到雙金屬活性位點(diǎn)構筑等取得系列進(jìn)展（ACS Catal.，2023；ACS Catal.，2022；ChemCatChem，2022；ACS Sustainable Chem. Eng.，2021）。

　　相關(guān)工作以“Structural reconstruction of iron oxide induces stable catalytic performance in the oxidative dehydrogenation of n-butane to 1,3-butadiene”為題，發(fā)表在Chemical Engineering Journal雜志上。該工作第一作者是大連化物所博士后張新寶。該工作得到國家自然科學(xué)基金、大連市重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng )新團隊、中國科學(xué)院A類(lèi)先導專(zhuān)項“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”等項目的資助。

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145370

　　DICP科普一下∣究竟什么是催化劑？