近日，化学与化工学院多相催化团队与中国科学技术大学合作，在实际催化反应中研究了铁基催化剂的晶面效应对费托合成的影响。相关成果发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上，化学与化工学院吴文龙资格教授为论文第一作者，曾杰教授为通讯作者，中国科学技术大学罗嘉华博士为共同第一作者，李洪良副教授为共同通讯作者。我校为论文第一通讯单位，这是安徽工业大学首次以第一完成单位在《Nature》子刊上发表的高水平研究论文，标志着我校在多相催化领域取得了又一重大研究进展。
费托合成（Fischer-Tropsch synthesis）是以合成气（一氧化碳和氢气混合气）为原料合成烃类及含氧产物的过程，通过该反应可以大规模地将煤炭、天然气、生物质等含碳资源转化为洁净燃料和高附加值化学品，是煤炭间接液化工程的核心技术，在国家能源安全和环境保护方面均有重要意义。目前公认铁基费托催化剂的主要活性物相是χ-Fe5C2，但是进一步深入到活性晶面的研究仅局限于理论计算或单晶模型表面。χ-Fe5C2是具有低对称性结构的单斜物相，要想合成出具有单一规整晶面的χ-Fe5C2是一个巨大的挑战，因此无法在实际催化反应中探究铁基费托催化剂的活性晶面。为了解决这一难题，曾杰教授团队创新性的采用原位重构的方法，借助具有高对称性的Fe3O4立方体和八面体基底，合成了分别暴露{202}晶面和{112}晶面的χ-Fe5C2核壳结构费托合成催化剂（图1和图2）。研究团队在性能测试中发现χ-Fe5C2的晶面对催化活性影响显著。通过机理研究证明催化活性差异源于CO的解离路径的改变（图3）。
（图1. 暴露{202}晶面的Fe3O4@χ-Fe5C2纳米立方体的结构表征）
（图2. 暴露{112}晶面的Fe3O4@χ-Fe5C2纳米八面体的结构表征）
（图3. 费托合成性能和反应机理探究）
该工作研究了铁基费托合成催化剂的活性晶面，为煤炭间接液化催化剂的研发提供了理论指导，也为有关碳化铁的研究提供一种合成规整单一晶面纳米晶的方法。
研究工作得到了国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划、腾讯基金会科学探索奖等项目的支持。（撰稿人：吴文龙 审核：韩新亚、黄宇弦）
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50544-1
