我院欧阳述昕教授课题组与中科院北京理化技术研究所张铁锐研究员团队合作开发了新型Fe5C2/N掺杂C催化剂实现较低温度光热催化费托合成高选择性产出低碳烯烃，相关研究成果发表在催化领域著名学术期刊《ACS Catalysis》上(2022, 12, 5316−5326)。博士研究生李睿哲为本论文第一作者，欧阳述昕教授为共同通讯作者。
低碳烯烃作为基本化工原料，被广泛应用于塑料、洗涤剂、化妆品等产品的生产中。然而，传统费托合成需要消耗化石能源来驱动反应的进行，导致CO2的大量排放。近年来，光热催化费托合成因采用清洁可持续的太阳光作为反应驱动力，被视为解决能源短缺、实现碳减排的有效途径。Fe5C2作为费托合成反应常用的活性相之一，对低碳烯烃具有优异的选择性，但是存在大多数Fe基催化剂反应温度较高的短板(反应温度通常高于300°C)。
在前期研究中，欧阳述昕课题组已经开发了光催化与光热催化耦合的方法，实现水煤气变换反应活化能大幅削减从而使反应温度有效降低(Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58,7708–7712; Appl. Catal. B-Environ., 2021, 298, 120551)。而本研究仅仅采用引入N掺杂C载体的简便方法，即可使Fe5C2催化费托合成的活化能削减45%，最优化样品Fe5C2/NC600在光热250°C的较低温度实现CO转化率为22.3%时，低碳烯烃选择性可高达55.6%。
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对C进行N掺杂会形成吡咯、吡啶和石墨N等不同构型，鉴定哪一种N掺杂构型对催化性能提升具有主要贡献是研究难点。XPS和XAFS表征表明N-掺杂碳载体中的吡咯N可以作为电子供体，向活性相Fe5C2表面转移电子，形成富电子活性位点。与此同时载体中吡咯N的含量与催化剂的CO转化率呈线性相关，这表明着N-掺杂碳载体对Fe5C2催化活性的增强效果与吡咯N的电子供体性质密切相关。CO-TPD、CO脉冲表征揭示了相比于纯相的Fe5C2，N掺杂C的引入增强了活性位点对CO的吸附从而使CO在Fe5C2表面更容易发生解离活化。DFT理论计算表明，相比于其他N物种以及纯相Fe5C2，Fe5C2(510)/吡咯N在热力学和动力学上都有利氢辅助CO的解离活化，证实了吡咯N的存在提高了Fe5C2对CO的吸附和解离能力，从而增强催化剂CO转化率。本研究提供了一种合理调控活性位点的策略，为提高太阳能-化学能的转化效率提供有益借鉴。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.2c00926?ref=pdf
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