费托煤转化过程Fe基催化剂结构及谱学性质的理论研究

Coal liquefaction technology，especially for Fischer-Tropsch synthetic fules technology is not only to achieve the clean use of coal, but also to alleviate China's excessive dependence on oil imports with important strategic significance to national security. To invesgitate the structures and properties of Fe-based catalysts at the atomic level is singificant of its experimental designs and improvements. Currently, it is essential to ugrently solve two problems in the theoretical study of Fe-based catalysts: 1. to explore and develop new exchange-correlation functional to predict Fe-O and Fe-C which fall in the regime of strongly correlations; 2. to investigate the effect of dimensionalilty and size on catalyst structures and spectropscopy propteries. The project intends to evaluate the performance of various exchange-correlation functionals in density functional theory (DFT) on Fe-based catalyst systems, in particular to further improve the screening hybrid functional on predicting strong correlations. We plan to use so-called the genetic algorithm structure searching to predict/search the structures of Fe-based catalysts with different dimensions and sizes. In the meantime, combining with the experimental results on model catalysts obtained by Institute of Coal Chemistry, Chinese Academy of Sciences and Synfules China, we will perform spectroscopy simulations on these Fe-based catalysts to further investigate the effect of dimensionality and size, and provide structural and spectroscopy information to experimental study. We believe that the successful completion of the proposed work will be of scholarly and practical interest, and have significant impact on the design of Fischer-Tropsch synthetic high-performance catalyst.

煤经费托合成生产清洁液体燃料具有重要的国家能源安全战略意义。理论研究Fe基费托合成催化剂可从微观电子角度深入认识催化剂的结构与性质，为其可控合成及改性提供理论依据。目前，Fe基费托合成催化剂理论研究中存在两个迫切需要解决问题：1.探索开发正确描述Fe-O、Fe-C强相关体系的泛函方法；2.催化剂的维度及尺寸效应对其结构及谱学性质的影响。本项目拟系统评价密度泛函理论不同泛函方法对铁基催化体系的适用性，开发并完善适用于该体系的新型屏蔽杂化泛函；利用遗传算法搜索不同维度及尺寸的Fe基催化剂结构；进而利用全电子基组方法，计算其M?sbauer等谱学性质，结合山西煤化所及中科合成油公司模型催化剂的实验表征结果，系统研究催化剂维度与尺寸效应对催化剂结构及性质的影响。该项目的实施将进一步发展强相关联理论计算方法，对其他强相关联体系具有重要参考价值,并为高性能Fe基催化剂的定向设计与改性提供理论依据。

煤经费托合成生产清洁液体燃料具有重要的国家能源安全战略意义。理论研究Fe基费托合成催化剂可从微观电子角度深入认识催化剂的结构与性质，为其可控合成及改性提供理论依据。目前，Fe基费托合成催化剂理论研究中存在两个迫切需要解决问题：1.探索开发正确描述Fe-O、Fe-C强相关体系的泛函方法；2.催化剂的维度及尺寸效应对其结构及谱学性质的影响。本项目拟系统评价密度泛函理论不同泛函方法对铁基催化体系的适用性，开发并完善适用于该体系的新型屏蔽杂化泛函；利用遗传算法搜索不同维度及尺寸的Fe基催化剂结构；进而利用全电子基组方法，计算其Mösbauer等谱学性质，结合山西煤化所及中科合成油公司模型催化剂的实验表征结果，系统研究催化剂维度与尺寸效应对催化剂结构及性质的影响。该项目的实施将进一步发展强相关联理论计算方法，对其他强相关联体系具有重要参考价值,并为高性能Fe基催化剂的定向设计与改性提供理论依据。. 根据申请项目的研究内容，研究团队针对铁基催化剂在费托合成反应过程中的相态、形貌及其与催化性能的构效关系等关键科学问题，对困扰铁基费托合成工业催化剂的活性相问题进行了深入研究，具体研究成果和进展（含创新性）主要集中在系统研究了铁基催化材料体系理性设计的方法基础（理论评价方法的建立）、结构构建基础及表征基础（实验谱学和理论谱学的结合），走向费托合成催化剂的设计（C-H-O反应体系的调控评价反应），并普及理论方法和工具在其他含碳资源催化转化中的应用。在该项目的支持下，在执行期内，在Nature, Sciences, J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，ACS Catalysis, J. Phys. Chem. C, Phys. Chem. Chem. Phys.,中国科学：化学(邀请综述)等杂志发表论文21篇。该项目的成功执行也奠定了神华宁煤400万吨煤制油项目的催化剂的设计基础。