国际权威期刊《ACS Catalysis》（影响因子13.7）近日在线发表了动力与机械学院定明月教授课题组关于钴基费托合成反应中沉积碳微观结构认识的最新成果。
论文题为“Tailoring carbon deposits on a single-crystal cobalt catalyst for Fischer-Tropsch synthesis without further reduction: the role of surface carbon and penetrating carbon”。武汉大学为论文第一署名单位，动力与机械学院博士后秦川为第一作者，定明月教授和山西煤化所李德宝研究员、王俊刚副研究员为共同通讯作者。
F−T合成反应本质上是C1化合物经C−C耦合逐步生成高附加值长链烃的过程。在此过程中，CO活化（CO直接解离或氢助解离）、歧化反应（2CO → CO2 + C）以及烃类脱氢反应都可以在催化剂表面形成碳。这些原子碳能够在催化剂表面迁移、扩散、聚集形成碳簇、碳孤岛甚至是链接成网状碳结构或碳膜，从而影响或改变活性位-金属钴的微环境和化学反应行为，但目前在钴基催化剂构效关系的研究过程中往往忽略了该过程所形成的碳物种的影响，其影响F−T合成反应性能的作用机制也尚不明确。同时，由于钴催化剂具有结构敏感性，且F−T合成反应过程及催化剂表面结构非常复杂，通过实验来控制其它变量，从而单独考察沉积碳在钴基催化剂上的确切作用仍然是一个挑战。
本工作以单晶钴催化剂为研究基础，以排除其它因素，如颗粒尺寸、分散度、晶相、金属与载体相互作用等的干扰。通过不同还原气氛（5% H2、5% CO和5%合成气（H2/CO = 2））预处理的方式在其表面引入沉积碳，发现在不经过费托还原步骤的情况下，p-Co-CO催化剂依然具有高的F−T反应活性和低的甲烷选择性（7.2%）。结合原位表征技术和评价实验设计，揭示了不同种类沉积碳的微观结构及影响F−T合成反应性能的内在原因：沉积碳的类型分两种-表面碳和渗入碳，其中，表面碳是以C-C键的形式存在；渗入碳是以C-Co键的形式存在。且p-Co-CO催化剂表面的表面碳类似于网状结构，常压下，可以保护金属钴不被空气所氧化，高压下又可以使氧气或其它反应分子通过。研究发现渗入碳的存在能增加催化剂表面活性位点的数目。这可能是因为碳的渗入会影响表面钴原子的排布，进而使更多的活性位点暴露了出来。另外，表面碳的存在可以同时提高催化剂表面上两种形式CO的吸附能力，而渗入碳的存在可以促进更多的CO以桥式的形式进行吸附，二者都有助于提高催化剂的F−T反应活性。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.3c01016
