▲第一作者：徐艳飞
通讯作者：定明月
通讯单位：武汉大学
DOI: 10.1126/science.abb3649
通过费托合成将合成气（CO+H2）转化为烯烃（FTS），是从生物质、天然气等非石油原料出发制备化学品的重要途径，具有重要的工业应用价值。近年来，该领域屡屡获得突破，使合成气转化成为催化领域非常重要且活跃的研究方向。对于合成气制烯烃而言，一个非常重要的挑战在于：~50%的CO会转化为C1副产物（CO2和CH4），使得整个反应的碳原子的利用率太低，难以满足原子经济性要求，同时也增加了分离成本。1. 合成气制烯烃过程中会产生水，在高温下，水和CO共存不可避免地让CO转化为CO2（水汽变化WGS反应）;
2. 铁基FTS催化剂在合成气制烯烃过程中通常会产生大量CH4. 针对以上问题，武汉大学定明月教授团队设计了一种疏水的FeMn@Si核壳结构催化剂，有效地阻止了合成气制烯烃过程中CO2和CH4副产物的生成。1）该催化剂以Mn掺杂的Fe纳米颗粒为活性组分，通过在其外面包覆一层疏水的无定形二氧化硅，使得碳化铁活性中心免受反应中生成的水的氧化，并缩短了水在催化剂表面的停留时间，从而抑制了与水有关的副反应（WGS）。2）Mn和Fe之间的电子相互作用提高了烯烃的收率，抑制了甲烷的生成。3）这种多功能催化剂将CO2和CH4的总选择性抑制在22.5％以下，并且在56.1％的CO转化率下烯烃单程收率高达36.6％。
相关工作发表在最新一期Science上，University of Groningen Nijenborgh的Jingxiu Xie对本工作进行了评述(DOI: 10.1126/science.abg1750)。图1. FeMn@Si催化合成气制烯烃的性能。
要点：1. 320°C, 3.0 MPa, 4000 ml·h−1·g−1, H2/CO = 2, 在56.1％的CO转化率下烯烃单程收率高达36.6％。烯烃选择性高达83.3%（68.2%为α-烯烃），CO2和CH4的总选择性抑制在22.5％以下。2. 100 h稳定性测试中催化剂性能保持得很好，C1副产物的选择性可以一直维持在23%以下，烯烃的选择性为~65%.
图2. FeMn@Si催化剂结构表征。
要点：FeMn@Si的合成分为两步，先通过Stober方法合成Fe@Si, 然后利用有机硅烷(chlorotrimethylsilane, TMCS)对Fe@Si进行修饰得到疏水（采用接触角进行测试）的FeMn@Si.
图3. FeMn@Si组成结构和反应过程中相转变情况表征。
要点：疏水壳可在反应过程中有效地调节铁的物相组成。疏水二氧化硅存在时，FeMn@Si中Fe能够一直以Fe5C2（FTS活性相）形式存在，不会变成Fe5C2和Fe3O4（非活性相）的混合物。而没有疏水层时，铁的物相会发生变化。
图4. FeMn@Si组成结构和反应过程中相转变情况表征。
要点：疏水壳促进了水的及时解吸，并阻止了水的再吸收，降低了铁物种附近的局部水分压，并抑制了WGS反应。
作者介绍
第一作者徐艳飞，武汉大学 2017 级硕博连读生，师从定明月教授，获得研究生国家奖学金。主要研究领域为合成气定向转化为烃类液体燃料。以第一作者在 Science, ACS Catal., Fuel, Molecul. Catal. 等知名期刊上发表文章。定明月：武汉大学动力与机械学院教授，博士生导师，湖北省“楚天学者”特聘教授、武汉大学“珞珈学者”特聘教授入选者。长期从事生物质、煤炭、天然气等资源经热化学转化制备洁净液体燃料和化学品的基础和工程放大研究工作。近五年负责国家自然科学基金（3 项，包含 1 项国际合作研究项目（重点）），国家 “973 计划”子课题（1 项），国家科技支撑计划子课题（1项），国家重大科学仪器开发专项课题（1 项），中国-瑞典国际合作研究项目（1 项），广东、新疆科技计划项目（5 项）等 20 余项，总经费 1000 余万元。在 Science，App. Catal. B- Environ.，ACS Catal.，ACS Appl. Mater. Interfaces，Appl. Energy 等国际能源和催化杂志上发表 SCI 学术论文 60 余篇，第一作者受理和授权国家发明专利 10 余项。负责设计和建立了两座千吨级生物质基液体燃料合成集成系统和一座相配套吨级工业催化剂生产平台，相关技术成果已出口转让到欧洲瑞典，受到了瑞典新闻媒体的高度评价，取得了较好的经济和社会效益。定明月教授课题组前期对FeMn催化剂进行了大量研究，在合成气制烯烃和芳烃等领域做了很多漂亮的工作。更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。 科研绘图交流群，请添加微信：17857127498写作/表征交流群，请添加微信：xueshan199