石油長期以來是燃料與化學(xué)品生產(chǎn)的主要原料，但煤炭、天然氣和生物質(zhì)等替代資源的開發(fā)日益受到關(guān)注。這些資源通過氣化生成合成氣（CO/H₂混合物），隨后利用費(fèi)托合成(FT)技術(shù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化。然而，傳統(tǒng)FT工藝雖在燃料生產(chǎn)中成熟，卻在化學(xué)品合成領(lǐng)域面臨挑。以線性α-烯烴（LAOs）為例，其當(dāng)前主要通過乙烯低聚制備，而現(xiàn)有高溫FT工藝雖可直接從合成氣制取LAO，但碳原子利用率低下，產(chǎn)物中C₂-C₄烯烴占比過高，目標(biāo)產(chǎn)物C₅-C₁₀ LAO收率不足，同時伴隨大量CO₂排放。

研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地采用純相χ-碳化鐵（χ-Fe₅C₂）催化劑，成功突破上述瓶頸。該催化劑在290°C下的活性較傳統(tǒng)FT制烯烴催化劑（需320°C以上）提升1-2個數(shù)量級，并能在工業(yè)條件下穩(wěn)定運(yùn)行200小時，實(shí)現(xiàn)51%的碳基選擇性生成C₂-C₁₀ LAO，同時將CO₂選擇性降至9%。此外，其優(yōu)異性能在250-320°C寬溫域內(nèi)均保持穩(wěn)定，展現(xiàn)出工業(yè)化應(yīng)用的巨大潛力。

研究團(tuán)隊利用Thermo Scientific? Titan ETEM G2球差校正環(huán)境透射電子顯微鏡（ETEM），實(shí)現(xiàn)催化劑碳化過程的原子級原位觀測^[1]。實(shí)驗(yàn)在合成氣（H₂/CO=30/1）、500帕壓力及350°C條件下進(jìn)行。結(jié)果表明，雷尼鐵納米顆粒的碳化始于內(nèi)部，逐步向外擴(kuò)展，30分鐘內(nèi)即可完成從氧化層包裹態(tài)到純相χ-Fe₅C₂晶體的轉(zhuǎn)變。這一動態(tài)過程為精準(zhǔn)設(shè)計調(diào)控催化劑提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

圖1 純相χ-Fe₅C₂形成的ETEM研究。^[1]

這是賽默飛球差校正環(huán)境透射電鏡助力央企發(fā)表的首篇Nature論文，該研究成果提出的“純相碳化鐵催化劑體系”新理論，將引領(lǐng)線性α-烯烴產(chǎn)業(yè)鏈的高端化躍升。

值得一提的是，本研究采用的球差校正環(huán)境透射電子顯微鏡(ETEM)正隨著設(shè)備升級不斷突破極限。Thermo Scientific? Spectra ETEM是最新一代球差校正環(huán)境透射電子顯微鏡，其憑借以下革新設(shè)計，成為催化研究的利器：

未來，Spectra ETEM有望幫助科學(xué)家在能源材料、納米催化等領(lǐng)域推動更多顛覆性發(fā)現(xiàn)，加速實(shí)驗(yàn)室成果向工業(yè)化應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。

（*文章轉(zhuǎn)自公眾號：賽默飛電子顯微鏡）