负载型亚纳米过渡金属团簇催化材料的制备及其在费托合成中的应用

Fischer-Tropsch synthesis is the main route for the indirect liquefaction of coals. The key to realize the effective utilizations of Fischer-Tropsch synthesis is to design and prepare proper catalysts with high activity，selectivity and stability. There are many factors those influence the activity and selectivity of the catalysts for Fischer-Tropsch synthesis (FTS), among those, the size of the active component and metal-support interaction play crucial role. In this project, we will design and prepare supported sub-nano sized transition metal clusters as catalysts for Fischer-Tropsch synthesis. By using the feature of the sub-nanosized structure that high ratio atoms locate at the interface area between metal clusters and supported materials, our research will focus on the investigation the mechanism that how the metal-support interaction of the supported transition metal clusters catalysts influence the catalytic behavior. Combining the in situ characterizations including in situ XRD, in situ IR and in situ Raman with theoretical simulation, the fine structure of the metal cluster catalysts will be characterized in depth, also the structure-property relationship (role of sub-nano sized transition metal clusters, rare earth oxide support and metal-support interaction) will be explored.

费托合成技术是煤间接液化的主要手段，实现费托合成的有效利用的关键是设计、制备稳定、高效的、高选择性的催化剂。影响费托合成催化剂性能的因素繁多，其中活性组分的尺寸大小及金属-载体界面作用对催化费托反应起着至关重要的作用。在本项目中，申请人拟合成亚纳米过渡金属团簇催化材料，实现过渡金属活性组分如铁、钴过渡金属在载体上的以亚纳米级尺寸高度分散，完善对于费托催化剂的尺寸效应研究及实现活性金属原子的高效利用；利用团簇结构的界面原子占比高的特点，重点研究因的金属-载体作用差异性及其对费托活性影响的作用机制；借助原位表征技术如原位X射线衍射、原位红外技术和原位拉曼技术，深入考察催化剂精细结构对于催化费托反应的活性和产物选择性的影响；结合理论模拟，探索亚纳米级过渡金属团簇的催化的机理并揭示金属-载体界面作用对催化行为的影响机制。

针对面向费托合成的高效负载型催化剂的设计与合成，该项目开展并完成了以下研究工作：（1）发展了两种精准可控合成的策略，分别成功实现了原子级分散的Fe位点以及传统方法难以构筑的Fe2C活性物相的构筑，并系统地研究了其在费托合成反应中的构-效关系，研究结果为廉价过渡金属催化剂的优化设计提供了可靠的方法指导；（2）针对费托反应过程中存在的重要分支反应-水煤汽变换反应过程，设计了三种类型的铈基催化剂，系统地揭示了催化剂表面的空位对于水分子活化的必要性，并深入探索了催化剂界面间相互作用对金属和载体相互活化的本质，为更好的调控水煤气变换性能优化费托合成产物分布提供了理论支撑。