碳化钴的表面科学及费托合成反应催化性能研究

Cobalt carbide is traditionally considered to be inert in Fishcer-Tropsch synthesis (FTS). However, recent reports show that cobalt carbide exhibits good activity and selectivity in ‘Fischer-Tropsch to olefins’ (FTO) reaction. This triggers our interest in the study of cobalt carbide in a comprehensive way, aiming to a better understanding its role in FTS. This project is to study the surface structure, phase evolution, and catalytic property of cobalt carbide, with both surface science approach and catalysis research methods. We will synthesize cobalt carbide on metal substrate under vacuum, near ambient pressure, and ambient pressure conditions. Assisted with the techniques such as XPS, STM, ambient pressure reactor, we are able to investigate the chemical composition, surface structure, phase evolution and catalytic properties of the cobalt carbide model catalyst. We will also synthesize cobalt carbide powder catalysts and investigate their structure, phase evolution and catalytic properties using in situ XRD, in situ TEM and fixed bed micro-reactor. These combination studies of cobalt carbide model catalyst and cobalt carbide powder catalyst will lead us to understand how and why cobalt carbide play its role in FTS.

碳化钴一般被认为没有费托合成反应催化活性，然而最近的研究结果表明碳化钴在费托合成制烯烃反应中具有很好的活性和选择性。因此，我们需要对碳化钴在费托反应中的作用重新认识。本项目将同时采用表面科学和催化科学的方法研究碳化钴的表面结构、相变、费托合成反应催化性能等性质。我们将采用金属单晶为基底，分别在真空、近常压、常压等环境中制备碳化钴，借助XPS、STM、常压反应腔等技术研究碳化钴的化学组成、表面结构、相变、合成气吸附和反应性能。我们还将合成碳化钴粉末催化剂，借助原位XRD、原位TEM、固定床微反等技术对其进行结构、相变以及费托合成反应性能等研究。结合上述两方面的系统研究，我们将更加深刻的理解碳化钴在费托合成反应中的催化作用机理。

煤制油技术在我国具有重要的能源安全战略意义和良好的经济效益。费托合成反应是煤制油的核心反应，钴基催化剂是一种重要的费托合成反应催化剂。在反应过程中金属钴会发生碳化形成碳化钴。对于碳化钴在反应过程中起的作用尚不是特别清楚。本项目研究了碳化钴在费托合成反应中的活性和选择性，发现部分碳化形成的Co3C表现出比金属钴更高的反应活性；并且发现Co3C与金属钴相比具有更好的碳碳偶联反应选择性。而完全碳化形成的Co2C无论是活性和选择性都比金属钴表现更差。结合密度泛函理论计算，我们探究了Co、Co3C与Co2C的活性和选择性差异的原因。.此外，本项目还采用表面科学的研究方法，分别在Au(111)、Ru(0001)、Al2O3/NiAl(110)和Ir(100)表面制备了钴、碳化钴和氧化钴的模型催化剂。我们发现在Al2O3/NiAl(110)上金属钴具有非常好的高温稳定性，这一特点使Co/ Al2O3/NiA l(110)可以作为非常理想的费托合成反应模型催化剂。我们还在Ir(100)上制备了Co3O4，并且详细解析了其化学组成和原子结构，发现了Co3O4/Ir(100)界面优异的催化反应性能。.本项目的研究成果将帮助我们更加深入的理解碳化钴在费托合成反应中的作用，进而指导钴基催化剂的开发。