新闻网讯（通讯员前轩）近日，国际期刊《自然·通讯》（Nature Communications）刊发了武汉大学前沿交叉学科研究院、动力与机械学院定明月教授团队在疏水催化剂设计构筑方面的最新研究成果，该工作为疏水表面调控合成气催化转化提供了新的见解，也为稳定碳化铁活性相提供了新的方法。论文题目为“Effects of surface hydrophobization on the phase evolution behavior of iron-based catalyst during Fischer–Tropsch synthesis”。徐艳飞副研究员为该论文的第一作者，徐艳飞副研究员和定明月教授为通讯作者，武汉大学为第一署名单位、唯一通讯单位。
费托合成（Fischer–Tropsch synthesis, FTS）可将煤炭、生物质等碳基资源经合成气（CO+H2）路径催化转化为清洁燃料和高值化学品，是缓解我国石油资源短缺、实现碳基资源清洁高效利用的关键技术，已主导煤化工百余年。在合成气转化反应中，CO中的C原子加氢生成各种烃类产品、O原子加氢变成H2O。水分子吸附在催化剂上对该反应存在着多种负面作用，例如引发水煤气变换副反应、占据催化反应的活性位点、氧化催化剂的活性相。
在前期的工作中，定明月教授团队提出了一种疏水催化剂的设计理念，通过在催化剂上构筑疏水表面减少水分子对合成气转化的负面作用，取得了系列研究成果：①发展了疏水界面调控水煤气变换反应的新思路，创新性研制了疏水界面改性铁基复合催化剂，揭示了副产物CO2的抑制机理，实现了合成气转化过程中CO2高效减排（Science2021, 371, 610-613）；②分析了煤制烯烃的技术经济性，发现这种疏水催化剂可以将烯烃的生产成本降低20.5%，提升煤化工过程的能量效率和经济效益（Chem2021, 7, 1977-1980）；③揭示了亲水、疏水催化剂上水分子不同的吸附扩散行为及其对产物分布的影响机制，并将这种疏水催化剂体系拓展，实现了合成气低CO2选择性的转化制备高品质汽油（Angew. Chem. Int. Ed.2023, 62, e202306786）；④撰写了一篇Perspective，讨论了疏水催化剂在合成气转化领域的最新研究进展，并展望了其未来发展方向（Science2022, 377, 369-370）。
疏水表面调控费托合成催化剂的物相演变
铁基催化剂具有价格低廉、反应条件广、烃类分布易调控的优点，是常用的工业FTS催化剂。由于合成气转化过程中同时存在H2、CO、H2O对铁物种的还原、碳化、氧化过程，铁基催化剂在反应中通常会演变为碳化铁和Fe3O4的混合物相。碳化铁是FTS生成烃类产物的活性相，而Fe3O4对水煤气变换副反应有着很高的反应活性。因此，保护碳化铁在反应中不被水分子氧化是非常必要的。
在本工作中（Nat. Commun.2024, 15, 7099），定明月教授团队展示了一种通过表面疏水修饰来保护碳化铁的策略，采用原位表征手段阐明了亲水、疏水催化剂上铁物种不同的物相演变行为，发现疏水表面可以降低催化剂核层的局部水分子浓度、抑制水分子对碳化铁的氧化，进而暴露出更多的C−C偶联活性位用于生成长链烯烃。疏水修饰过程中残余氯会通过抑制CO在催化剂上的吸附而毒化催化剂，SiO2壳层厚度的增加可以避免催化剂的氯中毒，但过厚的SiO2壳层又会限制CO向催化剂核层的扩散、抑制铁物种的还原碳化，合适的疏水壳层厚度对于保护碳化铁不被氧化为Fe3O4至关重要。
上述研究得到了国家重点研发计划（2022YFB4101200）、国家自然科学基金（22302149、52376206）、湖北省创新群体（2022CFA017）、中国博士后创新人才支持计划（BX20220242）、湖北省“楚天学者”、小米青年学者等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51472-w
（编辑：赵冀帆）
