烯烃，包括低碳烯烃（C₂⁼-C₄⁼）和高碳烯烃（C₅₊⁼），被广泛认为是当前化学工业中的关键基础原料。与用作聚合物、塑料和溶剂中间体的低碳烯烃相比，高碳烯烃可作为众多高附加值化学品（如合成橡胶、表面活性剂、高级润滑剂和缓蚀剂）的理想化学中间体。至关重要的是，喷气燃料范围的烯烃（C₈⁼-C₁₆⁼）可进一步加工用于生产可持续航空燃料，这些燃料日益被视为减少航空业碳排放的传统喷气燃料的重要替代品。然而，现有催化体系链增长能力弱，高碳产物选择性较低。

针对以上问题，中国科学院上海高等研究院（以下简称“上海高研院”）低碳转化科学与工程中心绿色碳科学团队/低碳催化与二氧化碳利用全国重点实验室开展了系列研究工作，前期通过促进铁物种还原与Na助剂引入加速了Fe-Zn催化剂的碳化使得反应中原位生成χ-Fe₅C₂物相，阐明ZnFe₂O₄/χ-Fe₅C₂与ZnO/χ-Fe₅C₂界面实现CO₂加氢制C₂₊醇/烯的反应机制，精准调控了铁物种物相、助剂/碳化铁界面位点数目与电子性质、CO₂与H₂活化能力，构建了高性能的CO₂加氢制C₄₊烯烃催化新体系，产率高达400 mg/g/h（Chem 2024, 10, 2245; ACS Catal. 2025, 15, 3940; Appl. Catal. B, 2025, 378, 125532；Appl. Catal. B, 2024, 358, 124440; Appl. Catal. B 2023, 321, 122050）。

近期，研究团队精准构筑了K和Al共修饰的铁基催化剂，并原位构建了χ-Fe₅C₂/Fe₃O₄界面，用于二氧化碳加氢制取重质烯烃。在反应条件为330 °C、2.0 MPa和20,000 mL/g_cat/h下，K负载量为8%的FeAlK催化剂上C₅₊⁼的时空收率高达453.7 mg/g_cat/h，此外，C₈-C₁₆航煤馏分的时空收率高达252.7 mg/g_cat/h。通过原位X射线衍射、X射线吸收光谱、X射线光电子能谱和⁵⁷Fe Mössbauer谱等表征手段，阐明了FeAlK催化剂的动态结构演化过程。原位漫反射红外傅里叶变换光谱、H₂/D₂同位素交换、C₃H₆和CO脉冲探针实验系统揭示了反应机理及催化剂的结构-性能关系。最优的χ-Fe₅C₂/Fe₃O₄界面和丰富的体相χ-Fe₅C₂物种是实现高效二氧化碳加氢制高碳烯烃的关键。此外，FeAlK催化剂在800小时的长期测试中表现出非常高的稳定性，展示了其在二氧化碳加氢制重质烯烃方面的工业应用前景。本研究还为开发具有动态结构演化的铁基催化剂以实现高效CO₂加氢制高碳烯烃与航煤馏分提供了一种简便的策略。

图1 FeAlK催化剂CO₂加氢反应性能、多谱学表征及反应路径示意图

相关工作以“Synergistic Surface and Bulk Engineering Enables Optimal χ-Fe₅C₂/Fe₃O₄ Interfaces on FeAlK Catalysts for Efficient CO₂ Hydrogenation to Heavy Olefins”为题发表在《ACS Catalysis》上。第一作者为上海高研院博士研究生张剑，共同第一作者为硕士研究生叶博惠，通讯作者为上海高研院王浩副研究员和高鹏研究员。同步辐射X-射线吸收表征通过与我院上海光源李炯研究员在BL11B线站开展合作研究完成，原位高压漫反射红外光谱通过与上海高研院上海光源吉特在BL06B线站开展合作研究完成。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金重大项目与面上项目、上海市优秀学术带头人计划、中国科学院上海分院青年攀登计划与上海市自然科学基金项目原创探索项目的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.6c00644