中国的能源结构具有多煤少油的特点，通过费托合成将煤转换成油品为缓解中国过度依赖石油进口提供了技术保障，具有重要的国家安全战略意义。另外费托合成技术可从源头上消除煤中污染源，生产出的无硫、无氮、低芳、高十六烷值的清洁油品，从而大幅降低煤炭资源对环境的污染。费托合成由德国化学家Franz Fisher和Hans Tropsch于1923年发现，是将煤、天然气、生物质等含碳物质经气化生成的合成气（一氧化碳、氢气）催化转化为液体燃料及化学品的过程。费托合成常用催化剂有两种：铁基和钴基催化剂。铁基催化剂因其价格低廉、烯烃选择性高、煤气变换反应活性适中、产物分布可调性强等优势而得到广泛应用。中科合成油技术有限公司间接煤制油技术所使用的就是铁基催化剂。
费托合成过程中铁基催化剂的活性相是碳化铁，铁的碳化是铁基催化剂活化的关键步骤。二氧化硅是铁基催化剂常用的添加剂，具有增加催化剂耐磨性、提高铁颗粒稳定性等优点。然而由于铁和二氧化硅界面的强金属-氧化物相互作用，二氧化硅的加入会部分抑制氧化铁的还原，降低催化剂的活性，于是研究负载铁颗粒与载体间的界面效应，寻找可以替代二氧化硅的载体对提高催化剂性能具有重要意义。
不同载体（硅，二氧化硅）负载的铁模型催化剂及其在近常压CO气氛下的碳化过程
近来，中科合成油技术有限公司的周雄、温晓东、J. W. Niemantsverdriet团队研究了二氧化硅和硅负载的铁颗粒模型催化剂在近常压一氧化碳气氛下铁碳化过程的界面效应，发现一氧化碳解离后氧的移除是铁碳化的决速步，而还原性载体的添加有助于铁的碳化。课题组分别使用单晶Si(111)及其部分氧化得到的二氧化硅薄膜作为载体，负载粒径尺寸接近的铁颗粒，使用近常压原位X射线光电子能谱，考察其在CO气氛下铁颗粒的碳化过程。结果显示铁/硅体系表现出更好的CO吸附能力和铁碳化能力。在二氧化硅表面，铁碳化开始于150 ℃，而在硅表面，铁碳化开始于100 ℃。不同碳化温度的原因主要在于CO解离后氧物种的去除效率。在二氧化硅表面，CO解离的氧物种附着在铁颗粒表面，生成部分氧化铁，阻碍铁的碳化过程。直到150 ℃以上时，表面氧物种与CO反应生成CO2而得以移除。而在硅表面，CO解离的氧物种很容易被界面的硅载体带走生成氧化硅，而碳物种仍然附着在铁颗粒表面，从而使得碳化过程更容易进行。该研究对探索铁基模型催化剂在近费托合成反应条件下活化和失活机理，为催化剂的下一步改良，寻找更合适的载体提供了建设性的意见。
不同载体的铁模型催化剂碳化反应机理示意图
这一成果近期发表在ACS Catalysis 上，文章的第一作者和通讯作者是中科合成油技术有限公司周雄博士。
该论文作者为：Xiong Zhou, Gilbère J. A. Mannie, Junqing Yin, Xin Yu, C. J. Weststrate, Xiaodong Wen, Kai Wu, Yong Yang, Yongwang Li and J. W. Niemantsverdriet
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Iron Carbidization on Thin-Film Silica and Silicon: A near-Ambient-Pressure X-Ray Photoelectron Spectroscopy and Scanning Tunneling Microscopy Study
ACS Catal., 2018, 8, 7326-7333. DOI: 10.1021/acscatal.8b02076
周雄博士简介
周雄，中科合成油技术有限公司表面科学实验室高级工程师。2009年获北京大学理学学士学位， 2014年获北京大学物理化学博士学位，2016年9月起就职于中科合成油技术有限公司。研究领域主要为表面反应和模型催化。迄今在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、 ACS Catalysis 等学术期刊发表论文二十篇。
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