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长期以来，石油一直是生产燃料和化学品的主要原料，但煤炭、天然气和生物质能也越来越多地被探索作为替代品。它们的转化首先产生合成气，一种CO和H₂的混合物，然后用费托化学法进一步处理。

然而，尽管用于燃料生产的商业化FT技术已经建立，但利用它来获取有价值的化学品仍然具有挑战性。线性α-烯烃就是一个很好的例子，它是目前乙烯低聚得到的重要的化学中间体。

目前正在开发的商业化高温FT工艺和FT制烯烃工艺都是将合成气直接转化为LAOs，但也产生大量的二氧化碳废物，导致碳利用效率低。由于转化成有价值的C₅-C₁₀LAOs的碳原子比在产品混合物中占主导地位的C₂-C₄烯烃中的碳原子少得多，效率进一步降低。

在此，来自荷兰埃因霍温理工大学的Emiel J. M. Hensen、国家能源集团&荷兰埃因霍温理工大学的王鹏以及国家能源集团的门卓武等研究者表明使用原始相纯碳化铁可以最大限度地减少这些合成气转化问题：针对FT到LAOs的过程进行了定制和优化，该催化剂在290°C时的活性比专用FT到烯烃催化剂高1-2个量级，可以达到320°C以上，稳定200 h，在工业相关条件下产生所需的C₂-C₁₀ LAOs和不需要的CO₂，碳基选择性为51%和9%。相关论文以题为“Efficient conversion of syngas to linear α-olefins by phase-pure χ-Fe₅C₂”于2024年10月16日发表在Nature上。

以碳化铁作为铁基费托（FT）催化剂中的活性相，早期的研究探索了不同碳化物相的稳定性，并表明相纯的ε-碳化铁与典型的铁基FT催化剂不同，不会产生CO₂作为主要产物。

基于此研究成果，并为了获得能够在广泛的温度范围内稳定操作的活性相，以优化FT到低烯烃（FTLAO）过程，研究者重点研究了获得相纯的χ-碳化铁的方法。

与制备纯ε-碳化铁的程序不同，通过在合成气中碳化之前对完全还原的雷尼铁进行钝化，成功获得了不含铁氧化物相的相纯χ-碳化铁。

表1比较了研究者的χ-碳化铁（χ-Fe₅C₂）与其他催化剂的FTLAO性能，展示了研究者体系的高活性。即使在250°C下，CO转化时间产率（CTY）也比文献中的所有先进催化剂高出3-7倍，这些文献中的催化剂通常是在320°C以上的较高反应温度下评估的。

在250°C时，研究者还观察到CO₂选择性低至11%，而总碳效率（选择性转化为碳氢化合物和含氧化合物）高达89%。表1显示，除少数例外，参考催化剂的CO₂选择性普遍较高，范围在37%到47%之间，而碳效率则较低，范围在63%到53%之间。

尽管疏水的FeMn@Si催化剂的CO₂选择性较低，仅为13%，但该体系即便在320°C的较高反应温度下，活性仍较低。虽然基于碳化钴的催化剂在与研究者催化剂相同的低温范围内表现出活性，但其典型的CTY值仍然显著较低，且CO₂选择性接近50%，这并不理想。

在CO₂选择性方面，Co₁Mn₃–Na₂S催化剂在240°C时表现出显著的低值（低于3%），但随着温度的升高以提高活性，CO₂选择性也迅速增加。

研究者还注意到，正如文献所讨论的，在较高温度下操作会将钴基催化剂的产物分布转向不太理想的产物，并使其更容易受到中毒的影响。

在此，研究者表明使用原始相纯碳化铁可以最大限度地减少这些合成气转化问题：针对FT到LAOs的过程进行了定制和优化，该催化剂在290°C时的活性比专用FT到烯烃催化剂高1-2个量级，可以达到320°C以上，稳定200 h，在工业相关条件下产生所需的C₂-C₁₀LAOs和不需要的CO₂，碳基选择性为51%和9%。这种较高的催化性能，在较宽的温度范围内（250-320°C）持续存在，证明了该系统在开发实际相关技术方面的潜力。

图1 优化后的Mn-χ-Fe₅C₂的催化性能。

图2 活动相形成与演化的原位表征。

图3 纯相χ-Fe₅C₂形成的环境透射电镜研究。

综上所述，研究者的原位表征和催化数据表明，相纯的χ-Fe₅C₂催化剂（包括未促进的和锰促进的）对于FTLAO是稳定且非常活跃的。χ-Fe₅C₂的相纯度可以在温和的条件下实现高CO转化率，并最大限度地减少不必要的CO₂产生，并且锰促进抑制不必要的二次反应，从而有助于对所需的LAOs具有高选择性。

虽然催化剂的工业化不可避免地需要解决工艺工程方面的挑战（例如，在这种情况下，催化剂暴露于含有二氧化碳的循环饲料中，从而增加了水的产量），但研究者认为，相纯的χ-Fe₅C₂催化剂将有助于开发FTLAO工艺，以竞争的方式将合成气转化为有价值的LAOs。

鉴于这种类型的催化剂具有以高碳效率（即低二氧化碳选择性）转化CO的能力，研究者预计它也可以有益于其他目标应用，例如，从传统或可再生碳原料衍生的合成气生产酒精，芳烃或喷气燃料。

参考文献

Wang, P., Chiang, FK., Chai, J.et al. Efficient conversion of syngas to linear α-olefins by phase-pure χ-Fe₅C₂. Nature (2024).

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