调控费托合成中CO解离作用机制研究获进展

近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员黄延强、中科院院士张涛团队在调控费托合成反应中一氧化碳（CO）解离的作用机制方面取得进展。研究发现，在还原过程中铜（Ru）纳米颗粒(NPs)上形成的TiOx覆盖层可直接参与C-O键的解离，从而显著提高其在费托合成反应的活性。研究成果发表于《自然—通讯》。

费托合成反应可以将非石油资源（煤、天然气、生物质等）经合成气转化为具有高附加值的燃料或化学品，为发展替代能源提供了一条技术路线。在费托合成反应中，CO解离并进一步加氢形成CHx中间物种的步骤至关重要，通常发生在Fe、Co、Ru金属表面，其中金属Ru表现出最优的反应性能。但Ru基催化剂存在明显的粒径效应，8纳米左右的Ru NPs才具有较高的费托反应活性，这严重降低了贵金属Ru的利用效率。开发高分散、高活性的Ru基费托合成催化剂具有重要的意义。

该团队利用金红石型RuO2与TiO2晶型相同、晶格匹配度高的特点，成功合成了高分散、高稳定的Ru/TiO2催化剂，其中Ru NPs粒径仅为2纳米左右，经600 ℃高温还原处理后粒径未发生明显变化。

黄延强介绍：“通过改变催化剂的还原温度，实现了金属—载体强相互作用程度的可控调节，获得了具有不同金属-载体界面结构的Ru/TiO2催化剂”。

研究表明，在适宜的金属-载体界面协同作用下，约2纳米的Ru NPs可以在温和条件下（160 ℃）表现出优异的费托反应活性，其TOF值是目前文献报道的最高值。通过多种表征技术并结合理论计算发现：利用金属-载体强相互作用形成的TiOx覆盖层可直接参与C-O键的解离，从而显著提高了Ru基催化剂的费托反应活性。

该工作不仅揭示了金属-载体强相互作用在费托合成反应中的催化作用机制，还为其他高分散金属催化剂的设计提供了新思路。（来源：中国科学报刘万生张亚茹）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-020-17044-4