论文标题：Synergistic effect of Fe-Mn bimetallic sites with close proximity for enhanced CO2 hydrogenation performance

期刊：Frontiers of Chemical Science and Engineering

作者：Haoting Liang, Qiao Zhao, Shengkun Liu, Chongyang Wei, Yidan Wang, Yue Wang, Shouying Huang, Xinbin Ma

发表时间：15 Nov 2024

DOI：10.1007/s11705-024-2491-4

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随着化石燃料的过度使用，全球CO₂排放量持续攀升，在此背景下，将CO₂作为碳源转化为高附加值化学品成为实现碳中和的重要研究方向。铁基催化剂因兼具对逆水煤气变换（RWGS）和费托合成（FTS）的催化活性，被视为CO₂直接加氢的理想选择，然而传统铁基催化剂表面的H/C比过高，容易导致甲烷选择性增加，虽然锰（Mn）作为助剂可调控产物的分布，但其作用机制长期存在争议，尤其是Fe-Mn双金属位点的空间邻近性对催化性能的影响尚未明确。

天津大学黄守莹教授等在《化学科学与工程前沿》（英文）发表题为“Synergistic effect of Fe-Mn bimetallic sites with close proximity for enhanced CO₂ hydrogenation performance”（Fe-Mn双金属邻近位点协同效应对CO₂加氢性能的增强作用）的研究论文，探究了Fe-Mn双金属位点的空间邻近性对CO₂加氢性能的影响机制。研究团队通过调控纳米颗粒种类和负载工艺，构建了三种Fe-Mn双金属催化剂体系，即原子级紧密邻近的FeMn-stf（距离<1 nm）、纳米颗粒分散负载的FeMn-imp（距离1-20 nm）以及物理混合的FeMn-mix（距离>50 nm），采用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、程序升温还原（H2-TPR）等技术解析催化剂结构的变化，利用原位红外光谱（FTIR）与CO₂程序升温脱附（CO₂-TPD）揭示反应路径的差异，通过固定床反应器评估催化性能与产物分布。

根据Fe-Mn靠近程度排序的（a）FeMn-mix、（b）FeMn-imp、（c）FeMn-stf催化剂模型图

研究结果表明，Fe-Mn双金属位点的空间距离显著地影响了催化剂的催化性能。FeMn-stf，FeMn-imp和FeMn-mix的CO₂转化率分别为35.2%，31.9%和27.2%，高碳烃（C₅₊）选择性分别为51.3%，46.1%和30.9%，甲烷选择性分别为19.8%，28.0%和39.8%。机理分析表明，Mn的引入促进了碳化铁（χ-Fe₅C₂）活性相的形成，并通过电子转移增强了Fe表面的电子密度。CO₂-TPD实验显示，FeMn-stf的CO₂吸附容量增加了2.3倍；原位FTIR检测到关键甲酸盐中间体（HCOO*），证实了邻近位点可协同促进CO₂活化。

该研究首次在纳米颗粒尺寸均一的条件下明确了Fe-Mn双金属的空间邻近性对CO2加氢性能的调控规律，为双金属催化剂设计提供了空间邻近性调控的理论依据。

引用信息

Haoting Liang, Qiao Zhao, Shengkun Liu, Chongyang Wei, Yidan Wang, Yue Wang, Shouying Huang, Xinbin Ma. Synergistic effect of Fe-Mn bimetallic sites with close proximity for enhanced CO₂ hydrogenation performance. Front. Chem. Sci. Eng., 2024, 18(11): 140

本文来自

Special Issue—Catalysis for a sustainable future

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原文链接：

https://journal.hep.com.cn/fcse/EN/10.1007/s11705-024-2491-4

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