山西煤化所在鐵基催化劑結構調控方向取得重要進展
近日，中國科學院山西煤炭化學研究所溫曉東研究員團隊在鐵基催化劑結構調控方向取得重要進展。研究成果以“Stabilized Fe7C3?Catalyst with K-Mg Dual Promotion for Robust CO2?Hydrogenation to High-Value Olefins”為題，發表于《Nature Communications》期刊。
鐵基催化劑因其低成本和可調控性，在合成氣轉化及CO2加氫等領域具有廣泛應用前景。然而，鐵催化劑在反應過程中通常呈現出復雜的相態演化行為，其活性相多為不同碳化鐵（如θ-Fe3C、χ-Fe5C2、Fe7C3、ε-Fe2C等）與氧化鐵的共存體系，導致反應機制難以明確、選擇性控制受限，且結構穩定性不足。
為突破該瓶頸，研究團隊創新性地構建了Fe7C3鐵碳化物催化劑。通過普魯士藍類前驅體在氨氣氛熱解條件下誘導形成Fe2N中間相，在CO2加氫過程中進一步原位轉化為Fe7C3，從而規避了傳統碳化路徑中Fe3O4/Fe5C2動態混相難控的問題。該策略實現了Fe7C3主相在CO2加氫低碳勢氣氛中的生成與穩定保持。
該研究通過K–Mg雙助劑的協同調控策略顯著增強了Fe7C3的結構穩定性。K助劑有效促進碳化過程，引導Fe2N中間相向Fe7C3的有序相變；Mg助劑則在反應過程中通過吸電子效應削弱Fe–O鍵合強度，顯著提高水分子在表面的解離能壘，從而有效抑制水誘導的表面氧化。研究團隊進一步構建了Fe7C3的熱力學形成相圖，揭示在低碳化學勢條件下，Fe7C3與其他鐵碳化物之間的形成能差異較小，表明其具備穩定存在的熱力學可行性。結合XRD、M?ssbauer、XAS與XPS等多尺度表征手段，明確驗證了該催化劑在氧化性反應環境中依然能夠穩定保持Fe7C3主相，展現出卓越的結構保持能力和反應穩定性。
該工作不僅在材料結構調控方面實現重要突破，也為Fe7C3物相在其他催化轉化反應中的應用探索提供了新的研究范式。所提出的前驅體熱解策略同樣適用于χ-Fe5C2、θ-Fe3C和ε-Fe2C等多種鐵碳化物的可控構建，為深入揭示碳化物結構–性能關系和開發高性能鐵基催化劑提供了有力的理論支撐與實踐指導。
本研究國家杰出青年科學基金（22225206，22025804），國家自然科學基金（22172183， 22202224，22178367），國家重點研發計劃（2022YFA1604100，2022YFB4101200），北京市自然科學基金（L255001），中國科學院基礎研究青年科學家項目（YSBR-005），中國科學院前沿科學重點研究項目（ZDBS-LY-7007），國家自然科學基金重大研究計劃（92045303），中科院信息化專項（CAS-WX2021SF0110），鄂爾多斯市重點研發計劃（YF20232316，YF20232317），以及來自中科合成油有限公司的經費支持。
（908課題組）
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