二氧化碳加氢铁基催化剂全生命周期构-效关系研究及结构调控

Resource utilization of CO2 is an effective approach to develop clean energy and alleviate global warming. This proposal will employ low-temperature deposition-precipitation and low-temperature crystal splitting methods to accurately synthesize the catalysts with high performance for CO2 hydrogenation. With a combination of operando spectroscopy (in situ/Operando techniques: Raman, EXAFS, XPS, TEM), kinetics and First principles calculation, we will reveal the evolution of interface structure of Fe-based catalysts, formation rule of active sites and reaction mechanism for CO2 hydrogenation. The dynamic structure-performance relationship of Fe-based catalysts in the whole life cycle, including the origin, evolution, life, death and regeneration will be elaborated. This proposal emphasizes that the effect of reaction conditions (temperature, pressure and atmosphere) on the modulation of active sites for CO2 hydrogenation. In addition, we make efforts on the study of kinetic modelling and reaction mechanism, thus the modulation strategy of catalyst structure will be established. Finally, we will construct the multi-scale modelling of reaction-transport and couple it with micro-kinetics at the level of the particles. Insights gained by above mentioned results will allow us to achieve the approach for R&D of next generation of catalysts, process optimization and collaborative design of reactor-catalysts.

二氧化碳资源化利用是未来发展清洁能源和减缓温室效应的有效途径之一。本项目拟采用低温沉积沉淀法，低温晶体分裂法精准合成高性能的铁基催化材料，用于二氧化碳加氢制备低碳烯烃的研究。项目利用先进的动态现场原位谱学表征技术（in situ/Operando 技术: Raman, EXAFS, XPS, TEM），反应动力学和第一性原理，研究铁基催化剂表界面结构演变规律、活性中心形成规律以及反应机理。揭示催化剂制备，活化，反应，失活和再生全生命周期动态构-效关系，重点聚焦反应外场（温度、压力、气氛）对二氧化碳加氢反应中铁基催化剂活性中心的影响，建立该催化反应动力学模型并揭示反应机理，从而构建催化剂结构调控方法。最后，进一步耦合微观反应动力学的颗粒尺度反应-传递多尺度模拟，为新一代催化剂研发、工艺条件优化和反应器-催化剂协同设计奠定基础。

二氧化碳加氢制烯烃是一种以二氧化碳作为新兴碳资源的清洁利用技术，既符合当前全球碳减排的趋势，又能降低对化石能源的依赖性，对我国的能源安全和环境保护具有重要的战略意义。Fe基催化剂因其具有价廉易得和优异的催化反应性能而获得广泛关注，同时也被认为是二氧化碳催化加氢反应中最具有工业化前景的催化剂之一。虽然Fe基催化剂表现出了良好的逆水气变换和费-托合成反应活性，但是单一组分的Fe基催化剂的二氧化碳加氢制烯烃性能难以满足工业化的目标。本项目从催化剂的活性相结构和反应机理出发，加入电子助剂和结构助剂对Fe基催化剂进行修饰和改进，并通过原位表征技术和密度泛函理论计算揭示了助剂的作用机制。项目重点聚焦在反应过程中催化剂活性相的动态结构变化规律，结构助剂和电子助剂的加入对Fe基催化剂结构和性能的影响规律。建立了Fe基、Fe-Zn催化剂上二氧化碳加氢反应的全生命周期构-效关系，揭示了催化剂的活性相、失活机理及再生方法，为二氧化碳加氢制烯烃反应中Fe催化剂的理性设计和开发提供了理论指导。项目发表论文10篇，申请专利2件。