全球每年超360億噸CO?排放加劇氣候危機，將其轉化為燃料或化學品是減碳新路徑。但傳統鐵基催化劑如同“挑食的廚師”，總把CO?加氫反應引向生成甲烷（CH?），既浪費碳資源又降低燃料價值。近日，天津大學團隊在《Frontiers of Chemical Science and Engineering》發表研究，通過調控鐵（Fe）和錳（Mn）原子的“鄰里距離”，讓催化劑“改邪歸正”——CO?轉化率提升30%，甲烷選擇性降低50%，為高效CO?資源化提供新范式。

傳統催化劑的“致命挑食”

CO?加氫反應就像“搭積木”：CO?和H?在催化劑表面“搭”出碳鏈，最終形成汽油、烯烴等長鏈分子。鐵基催化劑因成本低、活性高，是工業界的“潛力選手”，但它有個致命缺點——表面“氫多碳少”，H?吸附能力強而CO?吸附弱，導致反應更易生成最簡單的甲烷（CH?）。數據顯示，純鐵催化劑的甲烷選擇性高達50.7%，而有用的長鏈烴（C5+）僅占6.7%，如同“種果樹只結小酸果”。

為解決這一問題，科學家常添加錳（Mn）作為“調節劑”。但錳的作用一直像“謎”：有時促進長鏈生成，有時反而抑制反應。天津大學團隊發現，關鍵可能藏在Fe和Mn原子的“距離”里——就像兩個人合作，離得太遠“喊不應”，離得近了才能“默契配合”。

給Fe和Mn“搬新家”：三種距離實驗

團隊設計了三組“鄰居實驗”，制備出Fe-Mn距離不同的催化劑：

  • FeMn-stf組：Fe和Mn原子“住對門”，距離小于1納米（相當于原子肩并肩），通過尖晶石結構“鎖死”位置；
  • FeMn-imp組：Fe和Mn“住同小區不同樓”，距離1-20納米，通過共浸漬分散在載體上；
  • FeMn-mix組：Fe和Mn“住不同小區”，距離超50納米，只是物理混合。

用X射線光電子能譜（XPS）觀察發現，距離最近的FeMn-stf組出現“電子搬家”——Mn的電子向Fe轉移，讓Fe表面電子密度增加，就像“給Fe穿上導電外套”。這種電子轉移促進了Fe的碳化（生成Fe?C?活性相），而碳化是長鏈烴生成的關鍵“開關”。

距離越近，“胃口”越好

催化性能測試揭開了距離的“魔力”：

  • CO?轉化率：FeMn-stf（最近距離）達35.2%，比FeMn-mix（最遠距離）的27.2%提升30%；
  • 甲烷選擇性：FeMn-stf僅19.8%，遠低于FeMn-mix的39.8%，相當于“把浪費的碳資源搶回來”；
  • 長鏈烴（C5+）占比：FeMn-stf高達51.3%，是FeMn-mix（30.9%）的1.6倍，意味著更多汽油、柴油等“高價值產品”。

為什么距離近了效率高？原位紅外光譜給出答案：FeMn-stf表面能生成大量“甲酸鹽中間體（HCOO*）”——這是CO?加氫的“黃金跳板”，能高效轉化為長鏈分子。而距離遠的FeMn-mix幾乎檢測不到這種中間體，反應就像“少了關鍵零件的流水線”，只能生成簡單產物。

從實驗室到工廠：還需“縮小距離”

這項研究首次證實，Fe-Mn雙金屬催化劑的“鄰近效應”（即原子距離小于1納米時協同作用最強）是提升CO?加氫性能的關鍵。目前團隊已通過尖晶石結構實現原子級分散，下一步計劃將催化劑負載到工業常用的分子篩上，解決“距離控制”的規模化難題。

“就像調收音機找頻道，只有Fe和Mn的‘頻率’對上了，才能收到高效轉化的‘信號’。”團隊表示，這種原子級距離調控策略，未來或可推廣到其他雙金屬催化體系，為CO?制燃料、塑料等技術提供新工具。

來源: 化學工程前沿FCSE