费托合成铁基催化剂相变过程的原位表征及动态理论研究

Fischer-Tropsch synthesis technology is not only to achieve the clean use of coal, but also to alleviate China's excessive dependence on oil imports with important strategic significance to national security. In the Fischer-Tropsch synthesis, to develop high-performance catalyst is the key step. There are both complicated phase transition of the Iron-based catalyst and multiphase coexistence during the reaction. To clearly identify the active phases and to distinctly know their catalytic mechanism are of significant to develop high efficient catalysts. The project will explore the phase transition of Fe-based catalyst with and without K doping in the three folds researches: (1) to use a variety of in-situ characterization techniques (such as in situ X-ray Diffraction and Extended X-ray absorption Fine Structure Spectroscopy, in-situ Mössbauer Spectroscopy, etc.) to monitor and study the phase transition of Fe-based model catalysts; (2) to use high precise surface characterization techniques (such as Scanning Tunneling Microscopy, Photoelectron Spectroscopy, Reflection Absorption Infra Red Spectroscopy) to explore the morphology change and phase transition of surface-interface of well-defined FeOx surface; (3) to develop an intelligent algorithms to predict the surface and interface structure; to use molecular dynamics simulation to investigate the dynamic changes of surface and interface structures. We believe that the successful completion of the proposed work will be of scholarly and practical interest, and has significant impact on the design of high performance catalysts for Fischer-Tropsch synthesis, and also contributes experimental and theoretical framework and methodology to study surface and interface structures.

费托合成油技术不仅实现了煤炭的洁净利用，也为缓解中国过度依赖石油进口的局面提供了技术保障，具有重要的国家安全战略意义。高性能催化剂的研发是该技术中非常重要的环节。反应过程中铁基催化剂物相变化复杂、多相共存，及对活性相的识别及其催化作用机理认识模糊，制约了高效催化剂的研发。本课题将结合三个层次探讨不含及含有K助剂铁基催化剂的物相变化过程，即（1）利用多种原位表征技术（原位X光衍射, 原位扩展X光吸收精细谱, 原位穆斯堡尔谱等）研究Fe基模型催化剂物相变化（2）通过高精度的表面表征技术（隧道扫描电镜，光电子能谱，反射红外谱等）研究铁氧体系单晶表界面形貌变化，探索表界面相变过程；（3）开发智能算法用于表界面结构预测，同时突破静态计算，利用分子动力学研究表界面结构的动态变化。通过这三个层面的相互结合，为开发新一代高性能催化剂提供实验及理论指导，同时为研究表界面结构提供实验及理论框架和方法。

紧紧围绕“碳基能源转化利用的催化科学”的主旨，根据申请项目的研究内容，在项目执行三年中，我们研究团队针对铁基催化剂在费托合成反应过程中的相态、形貌及其与催化性能的构效关系等关键科学问题，从理论设计出发，自主研发了智能预测催化材料结构的算法，并利用从头算及经典动力学方法（同时兼顾气氛、温度、压力及时间尺度等因素）实现了催化剂物相动态变化的研究，突破了目前仅能对静态结构计算的限制；通过理性定向设计反应实验，对困扰铁基费托合成工业催化剂的活性相问题进行了深入研究，使得催化剂制备以及应用的关键技术取得了实质性突破，不仅大幅提升了费托合成催化剂的性能指标，并为开发新一代高性能费托催化剂提供实验及理论指导，探索走向理性设计的催化科学基础研究之路。具体研究成果和进展（含创新性）主要集中在系统研究了铁基催化材料体系理性设计的方法基础（理论评价方法的建立）、结构构建基础及表征基础（实验谱学和理论谱学的结合），实现走向费托合成催化剂的设计（C-H-O反应体系的调控评价反应），并拓展了理论方法和工具在其他含碳资源催化转化中的应用。在该项目的支持下，目前发表相关研究论文在Nature, Sciences, J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Chem，ACS Catalysis, J. Phys. Chem. C, Phys. Chem. Chem. Phys.,中国科学：化学(邀请综述)等杂志发表论文31篇，构建了费托合成铁基催化剂体系形成了基础框架和深入认识,并进一步实现了对含碳资源转化过程的理解，初步形成相应数据库并开始进行数据挖掘研究。经过三年科研，圆满完成项目任务，实现了项目目标。