SiO2负载Fe纳米粒子制备、表征及其CO加氢特性研究

费托合成可将煤炭清洁、高效的转化为液体燃料和化学品，对于缓解能源安全危机、解决环境污染和降低碳排放具有重要的意义。高效催化剂的开发是费托合成过程的关键因素。铁纳米粒子能提供高的表面反应位，具有优良的选择性和催化稳定性，是提高费托合成铁催化剂效率的有效途径之一。然而，在以往工作中，对这种超高分散铁基催化剂的制备及其CO 加氢催化性能的研究不够深入，在实验结果与理论认识上存在很大分歧。本项目拟在已开展工作基础上，系统研究SiO2负载铁纳米粒子的制备工艺、调控铁纳米粒子的晶粒尺寸和Fe-SiO2相互作用、表征铁纳米粒子晶相结构、评价其CO加氢反应性能。通过本项目研究最终期望获得 晶粒尺寸介于1 至100 纳米、粒径分布均匀的SiO2负载Fe纳米粒子催化剂，揭示Fe的纳米尺度效应在费托合成中的本质作用机理，为高效费托合成催化剂的研发提供基础科学信息。

费托合成可将煤炭清洁、高效的转化为液体燃料和化学品，对于缓解能源安全危机、解决环境污染和降低碳排放具有重要的意义。高效催化剂的开发是费托合成过程的关键因素。铁纳米粒子能提供高的表面反应位，具有优良的选择性和催化稳定性，是提高费托合成铁催化剂效率的有效途径之一。本项目通过溶胶凝胶法，制备了系列不同尺寸的Fe纳米粒子与SiO2复合纳米模型催化剂,表征了其晶相结构、表面物理化学性质，研究了其CO加氢催化反应性能。研究发现，Fe与SiO2之间存在明显的化学作用。首先，铁氧化物与SiO2之间形成了Fe-O-Si结构，该结构在反应后进一步形成了Fe2SiO4类物质。Fe-SiO2相互作用影响了催化剂中Fe原子的电子结构，增强了Fe-O键的强度，抑制了催化剂的还原和碳化。此外，SiO2对Fe催化剂具有很强的结构影响。SiO2促进了催化剂中Fe相的分散，抑制了催化剂晶粒在热处理及反应过程的烧结与长大。同时，SiO2明显影响了催化剂的吸附行为，增强了C、H、O在催化剂表面的吸附。在化学作用和结构效应的共同影响下，催化剂的初始活性和重质烃选择性随着Si含量的升高呈现先降低后增加的趋势。值得注意的是，催化剂中加入适量SiO2降低了产物中CH4的选择性。项目利用溶胶凝胶-离子交换和油酸铁热解方式制备均匀可控的Fe纳米粒子，成功制备了3 nm、5 nm、8 nm、10 nm、13nm和19 nm粒径分布均匀的Fe纳米粒子，并将其负载于SiO2载体上，制备了模型催化剂，通过研究其结构和CO加氢特性。Fe的CO加氢反应活性随晶粒尺寸降低呈递减趋势，但甲烷的选择性则呈现先降低后增加的趋势，并且铁晶粒为9nm时具有最低的甲烷选择性。项目揭示了Fe基费托合成催化剂中Fe与SiO2之间的复杂相互作用，以及Fe活性相的晶粒尺寸效应，为新一代费托合成高效催化剂的开发奠定了扎实的科学基础。在本项目的开展期间，发表SCI/EI研究论文4篇（基金资助标注），培养研究生3名，其中毕业博士研究生1名。