《Nature》五年磨一剑：北京低碳清洁能源研究院再出重大成果

10月16日，借助环境电镜，北京低碳清洁能源研究院蒋复国以第二作者登上Nature正刊，第一及通讯作者为北京低碳清洁能源研究院王鹏，共同通讯为门卓武及与荷兰艾因霍恩理工大学的Emiel J. M. Hensen.

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08078-5

合成气高效转化为线性 α-烯烃

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、天然气和生物质日益成为人们探索的替代品。它们在转化过程中首先会产生合成气（CO和H2的混合物），然后利用费托合成（FT）化学进行进一步处理。然而，尽管用于燃料生产的商业化FT技术已经成熟，但利用该技术获取有价值的化学品仍具有挑战性。线性α-烯烃（LAOs）就是一个很好的例子，它是目前通过乙烯低聚获得的重要化学中间体。目前商业化的高温FT工艺和正在开发的FT制烯烃工艺都能将合成气直接转化为LAO，但也会产生大量二氧化碳废物，导致碳利用效率低下。由于转化后的碳原子最终成为有价值的C5-C10 α-烯烃的数量大大少于在产品混合物中占主导地位的C2-C4烯烃，从而进一步降低了效率。

在此，国家能源集团北京低碳清洁能源研究院及其合作单位埃因霍温理工大学使用原始相纯的χ-碳化铁可以最大限度地减少这些合成气转化问题：该催化剂针对费托合成（FT）线性α-烯烃（LAOs）的工艺进行了定制和优化，在290°C下的活性比专用的FT到烯烃催化剂在320°C以上所能达到的活性高1-2个数量级，可稳定200小时，并且在工业相关条件下以51%和9%的碳基选择性生成所需的C2–C10 LAO和不需要的CO2。这种更高的催化性能在很宽的温度范围内（250-320°C）持续存在，证明了该系统开发实用相关技术的潜力。

优化后的Mn-χ-Fe5C2的催化性能

图1.优化后的Mn-χ-Fe5C2的催化性能

Mn-χ-Fe5C2表面成分及结构分析

图2表明利用离位TEM得到的Mn-χ-Fe5C2单晶纳米颗粒的成分分布及晶体结构分析，使用的是低碳院ARM200F球差电镜。由于Mn-χ-Fe5C2遇空气会快速氧化，因此需利用特殊的制样方法，完整保留Mn-χ-Fe5C2的原始结构。图中助剂Mn元素在Mn-χ-Fe5C2颗粒周围均匀分散，为χ-Fe5C2保持高活性的关键。

图2. 离位TEM表征Mn-χ-Fe5C2单晶颗粒的元素分布及结构分析

纯相χ-Fe5C2形成的环境TEM研究

图3. 纯相χ-Fe5C2形成的ETEM研究

图3表示利用环境透射电子显微镜（ETEM）原位观察雷尼铁在合成气环境中渗碳过程中χ-Fe5C2的形成过程。方法为在ETEM中通入合成气（H2/CO=30/1）,压力为500帕，温度350摄氏度，反应时间一个半小时。雷尼铁纳米颗粒分散在特殊的加热芯片上，实时开启电镜电子束并收取高分辨图像，经过傅里叶-反傅里叶变换过滤图像，可以在实空间下记录雷尼铁的原子级结构变化，因而看见碳化铁的形成过程，如图三所示，随着反应时间增加，雷尼铁从其初始状态（被非晶态氧化物钝化层包围）转变为完全碳化的纯相χ-Fe5C2，从开始出现χ-Fe5C2到观察颗粒完全转变为χ-Fe5C2，共花费不到半小时，且揭示χ-Fe5C2是从颗粒内部开始成长到颗粒表面，也就是说碳化过程是从内层开始并向外发展。最终状态发现形成的χ-Fe5C2为(-3-11)带轴的晶体，晶格间距为2.7Å。

活性相形成和演化的原位表征

图4.活性相形成和演化的原位表征（XRD+莫斯鲍尔谱）

北京低碳清洁能源研究院 北京低碳清洁能源研究院（下称“低碳研究院”）成立于2009年12月，隶属于国家能源集团公司。 低碳研究院紧紧围绕国家能源集团建设具有全球竞争力的世界一流能源集团的战略目标，致力于低碳清洁能源技术开发，既通过技术创新支持国家能源集团的核心业务，也依靠研发驱动寻求新的企业增长点，同时开发世界一流技术，力求具有国际影响力和竞争力。低碳研究院目前有北京、德国2个全球研发基地，近600名青年博士、硕士及其他各方面优秀人才，其中国外员工占30%以上。研究领域主要聚焦于煤的清洁转化利用、煤基功能材料、氢能及利用、水处理、分布式能源、催化技术、先进技术等领域，并全面开展了相关领域的技术研发和创新。

【合著单位简介】 埃因霍芬理工大学 埃因霍芬理工大学（Eindhoven University of Technology，TU Eindhoven；荷兰语为Technische Universiteit Eindhoven；缩写为TU/e），创建于1956年，位于荷兰王国埃因霍芬。TU/e作为欧洲卓越理工大学联盟战略成员，其高质量的教学与科研在国际上享有很高的知名度，是欧洲顶尖理工大学。