近日，实验室朱向学研究员、李秀杰研究员团队在低碳烷烃与CO₂耦合转化催化剂设计方面取得新进展：在镁铝尖晶石载体上构筑了高稳定性的单分散Fe基催化剂，并通过原位电镜和准原位穆斯堡尔谱揭示了Fe物种分别在有和无CO₂参与的乙烷脱氢反应中的演变规律，以及其与催化反应性能的关联。

相较于Pt、Cr等商业化烷烃脱氢催化剂，Fe基催化剂因其价格低廉、环境友好等优势获得广泛关注，但在乙烷脱氢等反应温度较高且有还原气氛参与的反应中，如何避免Fe物种烧结碳化仍是亟待攻克的难题。团队前期通过多种原位表征探究了Fe基催化剂在烷烃和CO₂耦合反应过程中的相态转变规律及其与催化性能的关系，发现CO₂气氛可使Fe基催化剂维持在Fe₃O₄活性相，抑制碳化铁的生成，获得相对稳定的烷烃和CO₂耦合转化制烯烃反应性能（ACS Catal.，2022）。然而，Silicalite-1载体表面Fe物种烧结导致其性能很难通过空气焙烧再生。

本工作中，团队发现高含量Fe物种（5wt%）在片状镁铝尖晶石载体上呈现单分散状态，在乙烷直接脱氢反应中表现出较高的初始转化率（约34%），但催化剂在3小时内快速失活。原位电镜、准原位穆斯堡尔谱、XAS等表征发现，单分散Fe物种快速还原、烧结、析出、碳化是导致催化剂失活的主要原因；当CO₂引入到反应体系中时，Fe物种在反应过程中始终保持单分散状态，在线反应6小时稳定性良好，反应后期转化率缓慢下降是由于部分六配位Fe³⁺物种转化为活性较低的四配位Fe²⁺物种造成的。研究发现，在简单空气气氛下再生焙烧，可将Fe²⁺完全氧化为Fe³⁺，使催化性能完全恢复，循环反应6次后Fe物种仍保持单分散状态。该工作为开发高效Fe基烷烃-CO₂耦合脱氢催化剂的设计提供了新思路。

朱向学、李秀杰团队在低碳烷烃与CO₂耦合转化领域进行了系统的研究工作（ACS Sustainable Chem. Eng.，2021；ACS Catal.，2022；ChemCatChem，2022），先期已完成乙烷和CO₂耦合转化千吨级/年试验，并通过中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定。

相关工作以“Effect of CO₂ Co-Feeding on the Stabilization of Atomically Dispersed Iron Species over MgAl₂O₄ During Ethane Dehydrogenation Reactions”为题，发表在ACS Catalysis上。该工作第一作者是朱向学、李秀杰团队博士研究生郑颖滨。该工作得到国家自然科学基金、大连市重点领域创新团队支持计划、中国科学院A类先导专项“变革性洁净能源关键技术与示范”等项目的资助。（文/李俊杰、郑颖滨 图/郑颖滨）