近日，國家能源集團北京低碳清潔能源研究院及其合作單位埃因霍溫理工大學在國際頂級期刊《Nature》發(fā)表突破性研究，揭示了合成氣高效轉化為線性α-烯烴（LAOs）的新型催化劑技術[1]。北京低碳清潔能源研究院王鵬研究員，蔣復國研究員，門卓武研究員以及荷蘭埃因霍芬理工大學的Emiel J. M. Hensen教授參與此項研究。
合成氣高效轉化：
從低效碳利用到精準催化
石油長期以來是燃料與化學品生產(chǎn)的主要原料，但煤炭、天然氣和生物質等替代資源的開發(fā)日益受到關注。這些資源通過氣化生成合成氣（CO/H2混合物），隨后利用費托合成(FT)技術進一步轉化。然而，傳統(tǒng)FT工藝雖在燃料生產(chǎn)中成熟，卻在化學品合成領域面臨挑。以線性α-烯烴（LAOs）為例，其當前主要通過乙烯低聚制備，而現(xiàn)有高溫FT工藝雖可直接從合成氣制取LAO，但碳原子利用率低下，產(chǎn)物中C2-C4烯烴占比過高，目標產(chǎn)物C5-C10 LAO收率不足，同時伴隨大量CO2排放。
研究團隊創(chuàng)新性地采用純相χ-碳化鐵（χ-Fe5C2）催化劑，成功突破上述瓶頸。該催化劑在290°C下的活性較傳統(tǒng)FT制烯烴催化劑（需320°C以上）提升1-2個數(shù)量級，并能在工業(yè)條件下穩(wěn)定運行200小時，實現(xiàn)51%的碳基選擇性生成C2-C10 LAO，同時將CO2選擇性降至9%。此外，其優(yōu)異性能在250-320°C寬溫域內(nèi)均保持穩(wěn)定，展現(xiàn)出工業(yè)化應用的巨大潛力。
先進的球差校正環(huán)境透射電子顯微鏡能在原位條件下，深入探究費托催化劑在反應過程中的活性相變化。具體而言，環(huán)境電鏡能夠精確測量催化劑晶粒尺寸、晶體結構以及元素分布的實時動態(tài)，這些參數(shù)均會隨著反應條件（如氣氛組成、溫度等）的調整而發(fā)生變化。通過環(huán)境電鏡，在接近真實反應環(huán)境的條件下（包括特定的氣體氛圍和加熱條件），我們能夠直接觀察并記錄催化劑晶體結構與物相的空間演變，為揭示催化劑的反應機理提供了強有力的證據(jù)。
蔣復國研究員
北京低碳清潔能源研究院
原位觀察催化機理：
環(huán)境電鏡揭示動態(tài)過程
研究團隊利用Thermo Scientific™ Titan ETEM G2球差校正環(huán)境透射電子顯微鏡（ETEM），實現(xiàn)催化劑碳化過程的原子級原位觀測[1]。實驗在合成氣（H2/CO=30/1）、500帕壓力及350°C條件下進行。結果表明，雷尼鐵納米顆粒的碳化始于內(nèi)部，逐步向外擴展，30分鐘內(nèi)即可完成從氧化層包裹態(tài)到純相χ-Fe5C2晶體的轉變。這一動態(tài)過程為精準設計調控催化劑提供了關鍵數(shù)據(jù)支撐。
圖1 純相χ-Fe5C2形成的ETEM研究。[1]
這是賽默飛球差校正環(huán)境透射電鏡助力央企發(fā)表的首篇Nature論文，該研究成果提出的“純相碳化鐵催化劑體系”新理論，將引領線性α-烯烴產(chǎn)業(yè)鏈的高端化躍升。
技術革新：
Spectra ETEM推動催化研究新紀元
值得一提的是，本研究采用的球差校正環(huán)境透射電子顯微鏡(ETEM)正隨著設備升級不斷突破極限。Thermo Scientific™ Spectra ETEM是最新一代球差校正環(huán)境透射電子顯微鏡，其憑借以下革新設計，成為催化研究的利器：
兼容各種全新表征高靈敏度探測器與低劑量表征技術：
Panther STEM、iDPC、EMPAD、Ceta-S、Falcon 4i……
遠程操作平臺，使科研人員進一步免于氣體危害。
配備有單色器的超亮熱場場發(fā)射電子槍，可簡便準確地控制電子劑量。
搭配雙球差校正器，進一步拓展環(huán)境透射電鏡的表征能力。
進一步優(yōu)化氣體控制系統(tǒng)，搭配了3 個不同的氣體入口，并可預設分壓。
獨一無二的極靴內(nèi)無窗高壓氣氛環(huán)境，可在S/TEM模式提供最佳襯度和分辨率。
出色的 ETEM 真空系統(tǒng)與大極靴設計，兼容大角度雙傾桿與種類豐富的原位樣品桿。
非 ETEM 模式（高真空模式）下可達到常規(guī)Spectra球差校正平臺的性能指標。
未來，Spectra ETEM有望幫助科學家在能源材料、納米催化等領域推動更多顛覆性發(fā)現(xiàn)，加速實驗室成果向工業(yè)化應用的轉化。
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