科研團隊實現鐵氧化物高效催化合成氣制乙醇

近日，中科院大連化物所氫能與先進材料研究部碳資源小分子與氫能利用研究組（DNL1905組）孫劍研究員團隊在合成氣經草酸二甲酯（DMO）加氫合成乙醇的研究中取得新進展，設計合成了一種鐵氧化物催化劑，可在催化過程中原位生成Fe3O4，作為主要活性位點主導DMO深度加氫反應，實現了90%的乙醇收率，并可在反應中保持良好的穩定性。

草酸二甲酯加氫可選擇性合成乙二醇，乙醇，乙醇酸甲酯和乙酸甲酯等高附加值化學品，是合成氣轉化為含氧化合物的重要途徑之一。其中，合成乙醇的反應可為煤炭資源清潔利用和乙醇的多元化生產提供可行路徑。然而，傳統的銅基催化劑在反應過程中存在副產物多、效率不高、反應條件苛刻、穩定性較差等問題。

孫劍團隊長期致力于CO2及合成氣等含碳資源小分子的轉化利用，在合成氣經DMO加氫或直接合成含氧化合物領域開展了系統的研究工作（Sci. Adv.，2018；ACS Catal.，2021；Appl. Catal. B: Environ.，2022；Chem Catal.，2023）。本工作中，團隊設計了一系列不同晶相的鐵氧化物催化劑，可在反應中原位生成四氧化三鐵與碳化鐵，使反應轉化率達到100%，乙醇選擇性達90%以上，實現了草酸二甲酯加氫高效合成乙醇。團隊還進一步闡明了催化劑構效關系與鐵物種參與C=O鍵加氫的機理。結果表明，催化劑粒子大小可通過影響還原程度、表面吸附行為等作用于鐵活性物種的演化過程中，影響草酸二甲酯加氫的產物分布。與傳統的Cu物種或金屬碳化物作為主要活性位點的觀點不同，本工作提出，鐵氧化物為主的活性相可促進深度加氫反應步驟，較高的Fe3O4/Fe5C2比例有利于乙醇的形成。該研究為C=O鍵選擇性加氫催化劑的設計提供了新思路。

相關成果以“Iron Oxides Oriented Ethanol Synthesis via Dimethyl Oxalate Hydrogenation from Syngas”為題，于近日發表在ACS Catalysis上。該文章的第一作者是中科院大連化物所DNL1905組博士研究生孫艷楠。該工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、遼寧濱海實驗室能源化工聯合專項開放基金等項目的支持。