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天然磁铁矿变绿色高效费托合成催化剂

注:文末有研究团队简介及本文科研思路分析


费托合成(FTS)是实现非石化基合成气(CO、H2)向可替代液体烃催化转化的重要路径,Fe基催化剂在FTS发展应用中扮演着重要的角色。近日,广东工业大学王铁军团队通过采用天然磁铁矿和环境友好的柠檬酸为原料,以便捷的溶胶-凝胶、高温碳化策略,制备了一种高性能的Fe@C核壳结构FTS催化剂。


费托合成(FTS)技术是目前可替代液体燃料合成技术中重要的一种路径,其之所以广受关注,在于它可以利用非石油基碳原料如煤、天然气、生物质等衍生的合成气(CO和H2)连续生产具有不同碳数的高值碳氢液体产物,而这些烃类杂质较少且不含硫等有害成分,可直接作为发动机混合燃料使用。其中,Fe基费托催化剂由于其具有的诸多优点而被广泛应用于合成气的费托合成催化转化中。但目前制备Fe基催化剂的铁源通常来自于不同的提纯过的金属铁或铁盐(如硝酸铁、氯化铁等),而金属冶炼过程难免存在能耗、成本和环境污染等方面的缺憾。


广东工业大学团队开发的基于天然磁铁矿直接制备的Fe@C催化剂很好的弥补了上述缺憾。研究中采用天然磁铁矿为原料,通过改性的溶胶-凝胶法合成策略,利用环境友好的多羧基柠檬酸将Fe金属直接从磁铁矿中提取出来,使前驱体化合物通过吸附、分子间作用力在金属纳米粒子周围或表面发生聚合、缩聚,随后经过分解、碳化等步骤最终形成石墨层包裹的纳米Fe@C核壳结构催化剂。Fe@C在碳化过程中原位形成的核-壳结构和碳化铁活性相促进了其优异的FTS催化稳定性和活性。


除此之外,该合成策略还对不同品位的天然磁铁矿原料表现出了良好的适用性。这种策略不仅为制备高活性的Fe@C费托合成催化剂提供了一种绿色、便捷的合成途径,也显示出了这种策略和材料在规模化FTS中的应用前景。


这一成果近期发表在Chemical Communications 上,文章的第一作者是广东工业大学博士后张浅博士,通讯作者为仇松柏副教授、王铁军教授。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Facile fabrication of porous Fe@C nanohybrids from natural magnetite as excellent Fischer-Tropsch catalysts

Qian Zhang, Juwen Gu, Jianfeng Chen, Songbai Qiu*, Tiejun Wang*

Chem. Commun., 2020, 56, 4523-4526, DOI: 10.1039/D0CC01498B


王铁军教授简介


王铁军,广东工业大学教授、博士生导师,现任广东工业大学轻工化工学院院长。主要从事能源催化方面研究。高层次人才、科技部“创新人才推进计划”中青年科技创新领军人才、广东省“特支计划”科技创新领军人才、中国可再生能源学会生物质能专业委员会委员。主持承担完成国家基金重点/面上、国家863计划、国家973计划项目课题、国家重大仪器研制等各类国家及省部重点科研项目30余项。获得联合国工业发展组织“Blue Sky Award”、广东省科学技术一等奖等奖励。发表SCI论文190余篇,编著6部,获得授权发明专利32项,其中美国专利1项、欧洲专利1项。


本课题组(绿色能源催化课题组)主要从事生物质催化转化制高值燃料、化学品方面的研究,长期招聘具有化工、材料背景的博士研究生、博士后研究员。其中优秀博士后研究员可享受校聘副教授待遇,30万基础年薪,并有丰厚的论文和项目奖励,出站后可申请留校,详情见《广东工业大学优秀博士后招聘公告》。


科研思路分析


Q:这项研究最初是什么目的?或者说想法是怎么产生的?

A:该研究的目的即为设计制备廉价易得、绿色、高效的FTS催化剂。想法来源于对现有费托合成Fe基催化剂制备方法及其原料的思考,一般来说,Fe基催化剂的铁源通常来自于不同的提纯过的金属铁或铁盐(如硝酸铁、氯化铁等),再借助共沉淀、浸渍、溶胶-凝胶、水热法、沉积等方法完成催化剂的制备。然而,这些金属铁或铁盐必须通过各种铁矿石的冶炼和提纯工业才能获得,而冶炼工业过程不仅能耗和成本很高,且会产生不可避免的环境污染。基于此,我们考虑到能否采用天然的铁源直接制备催化剂,这样就避免了中间的冶炼提纯过程。考虑到天然铁矿物的广泛性和低成本性,利用天然铁矿石作为前驱体直接制备高效铁基费托合成催化剂具有很大的优势和应用前景。


Q:研究过程中遇到哪些挑战?

A:本项研究中最大的挑战是如何控制磁铁矿中铁元素的络合提取、碳化过程,找到优化的柠檬酸比例和碳化条件,以获得完整的、具有优异性能的Fe@C催化剂。在这个过程中,我们团队在催化剂制备、高温反应过程方面的经验积累起了至关重要的作用。


Q:该研究成果可能有哪些重要的应用?哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助?

A:该催化剂制备策略和得到的高效Fe@C催化剂有望进一步用于费托合成工业应用,其制备过程的便捷性、低成本性和对不同天然磁铁矿原料良好的适应性更是突显了这种材料在FTS中的应用前景。


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