그는 공동 연구 및 통신 작가입니다! 투고부터 수용까지 5년이 걸렸지만, 이 Nature 논문이 수락되어 산업 기술 난제를 해결했습니다!
NICE 국가 에너지 집단 베이징 저탄소 클린 에너지 연구소의 Peng Wang, Zhuowu Men, 그리고 그들의 협업자인 에인호벤 공과대학의 Emiel J. M. Hensen은 원래의 상순한 χ-탄화철을 사용하여 합성 가스 변환 문제를 극대화할 수 있음을 보여줍니다. 이 촉매는 페리에틸렌 합성 (FT)에서 선형 α-올레핀 (LAOs) 공정을 위해 맞춤 및 최적화되었으며, 290°C에서의 활성은 전문 FT에서 올레핀 촉매가 달성하는 활성보다 1-2개의 크기 순서가 높습니다. 이는 320°C 이상에서 안정하게 유지 가능하며, 200시간 동안 안정성을 유지합니다. 또한, 51% 및 9%의 탄소 선택성으로 C2-C10 LAO 및 불필요한 CO2가 산출됩니다. 이러한 더 높은 촉매 성능은 넓은 온도 범위(250-320°C)에서 계속 유지되며, 해당 시스템이 관련 기술을 개발하기 위한 잠재력을 입증합니다. 관련 연구 결과는 "Efficient conversion of syngas to linear α-olefins by phase-pure χ-Fe5C2"라는 제목의 논문으로 최신호의 자연지에 게재되었습니다. Peng Wang는 본 논문의 제1저자이자 통신 저자입니다.
전략 디자인
이 글의 핵심은 FT 촉매를 사용하여 합성 가스 (CO와 H2)를 직사각형 α-올레핀 (LAO)로 변환하는 것입니다. FT 공정의 상업적 실현 가능성은 낮은 탄소 효율성에 영향을 받으며, 일반적으로 많은 이산화탄소 부생산물이 발생할 수 있습니다. 이러한 변환의 산업 응용을 최적화하기 위해 연구자들은 Hagʹg 탄화물로 알려진 χ-Fe5C2에 기초한 새로운 촉매 시스템을 설계했습니다. 주요 혁신 요소는 다음과 같습니다: (1) 상의 순도: 촉매는 높은 상의 순도를 유지하도록 설계되어 활성 χ-Fe5C2 상만 포함되도록 하여 경쟁 산화 철 상 반응의 발생 가능성을 제거합니다. (2) 망간 촉진제: 성능을 더 향상시키기 위해 망간 (Mn)을 촉진제로 추가하여 올레핀과 알켄 비율 (O/P)을 최적화하고 필요한 LAO와 같은 제품의 선택성을 향상시키며 동시에 CO2 생산량을 감소시킵니다. (3) 인플레이스 최적화: 인플레이스 성격화 기술을 사용함으로써, 이 연구는 산업 관련 조건하에서 활성 상의 형성과 진화를 밀접히 모니터링하여 최적의 촉매 성능을 보장합니다.
Mn-χ-Fe5C2의 최적화된 촉매 특성
이 촉매의 성능은 다양한 조건에서 종합적으로 평가되어传统 페리에르 시스템에 비해 우수함을 입증하기 위해 노력되었습니다. 상대적으로 낮은 온도(250-290°C)에서, Mn-χ-Fe5C2 촉매는 높은 CO 변환율과 C2-C10 LAO에 대한 현저한 선택성을 보여줍니다. 주요 발견은 다음과 같습니다: (1) 높은 CO 변환 효율: 250°C에서도 이 촉매의 CO 변환 효율은 다른 선도적인 촉매(일반적으로 320°C 이상에서 작동)보다 3-7배 높습니다. (2) CO2 선택성 감소: Mn-χ-Fe5C2 촉매의 250°C에서의 CO2 선택성은 9%까지 낮아져, 타 촉매들과 비교하여 CO2로의 탈탄소화를 현저히 줄였습니다. 최대 45%까지 감소했습니다. (3) 올리펜-파라핀 비율(O/P): O/P 비율은 1.2인 촉매로부터 4.1인 망간 촉매까지 크게 향상되었습니다. 이는 보다 가치 있는 올리펜 제품의 생산률이 높음을 나타냅니다. 망간의 첨가가 이 강화 효과에 중요한 역할을 합니다. 이것은 더 강한 CO 흡착을 촉진함으로써 올리펜 이차수소화를 억제할 수 있습니다.
그림 1a와 1c는 각각 250°C 및 290°C에서 CO 전환율과 생성물 선택도의 운전 시간 데이터를 보여주며 총 100시간에 이르는 오랜 시간 동안 촉매의 안정성과 효율을 강조합니다. 그림 1b와 1d는 탄화수소 화합물의 분포를 보여주며 LAO의 대량 생산과 메탄 및 이산화탄소와 같은 불필요한 생성물에 대한 낮은 선택성을 나타냅니다. 그림 1e와 1f는 탄소 기반 선택성과 목표 LAO 시간 생산율의 비교 분석을 제공하며, Mn-χ-Fe5C2가 LAO 생산율과 CO2 억제 측면에서 보고된 촉매보다 우월함을 확인합니다.
Figure 1. Optimized catalytic performance of Mn-χ-Fe5C2
In situ characterization of the formation and evolution of active phases.
활성 χ-Fe5C2 상의 생성과 진화를 이해하기 위해 연구자들은 원시 X선 회절(XRD) 및 무스보어 스펙트럼을 사용했습니다. 이러한 기술은 고온 가스 융합 조건에서 레이니 철이 활성 χ-Fe5C2 상으로 변화하는 과정을 실시간으로 모니터링할 수 있습니다. 원시 XRD 그림(그림 2a, b)은 300°C에서 350°C까지의 탄소 침윤 과정을 추적하며, 상순수한 χ-Fe5C2 상의 성공적인 생성을 보여줍니다. 비 촉진 및 망간 촉진 시료는 유사한 침윤 궤적을 따라가며, 이러한 과정의 안정성을 확인했습니다. 스펙트럼을 통해 χ-Fe5C2 상의 안정성과 순도를 깊이 이해할 수 있습니다. 데이터는 (그림 2c, d) 긴 FT 조건 하에서도 망간 촉진 촉매가 여전히 상순수성을 유지하며, 탄화 철이 여전히 주요 상이라는 것을 확인했습니다. 이는 일관된 촉매 활성을 보장하며, 산업 조건에서 신뢰성 있게 형성 및 안정화될 수 있는 촉매 상의 원시 특성을 확인합니다. 이러한 원시 성격의 특성화는 Mn-χ-Fe5C2 시스템이 장기적인 FT 운전에 활용될 수 있음을 보여줍니다.
Figure 2. In-situ characterization of the formation and evolution of the active phase.
【순수한 상태의 χ-Fe5C2 생성 환경에 대한 TEM 연구】
환경 투과 전자 현미경 (TEM)을 사용하여, 연구자들은 합성 가스 환경에서 레네 철의 카본 침투 과정 중 χ-Fe5C2의 미시적 형성을 직접 관찰할 수 있습니다. 이 방법을 통해 연구자들은 원자 수준의 실시간 변환 과정을 포착할 수 있습니다. 고해상도 TEM 이미지 시퀀스 (도 3)는 레네 철이 초기 상태(비정질 산화물 피복층으로 둘러싸인 상태)에서 완전히 탄화된 순수 상 χ-Fe5C2으로 변화하는 것을 보여줍니다. 이미지는 탄화가 내부에서 시작하여 외부로 확산되며, 30분 이내에 변화가 완료됨을 보여줍니다. 최종 상태는 χ-Fe5C2의 (311) 결정학적 방향으로 이미지화되며, 필요한 상의 격자 간격인 2.7Å이 성공적으로 형성되었음을 확인합니다.
그림 3. 환경 전자 현미경(TEM) 연구로 형성된 순수 상태의 χ-Fe5C2.
요약
이 문서의 결론은 순면 Mn-χ-Fe5C2를 피셔 트로프 촉매로 개발하고 적용하여 합성 가스를 효율적으로 직사슬 알파-알케인으로 생산하는 데 관한 몇 가지 중요한 발견을 내어놓았다: (1) 고성능: 최적화된 Mn-χ-Fe5C2 촉매는 합성 가스를 LAO로 변환하는 우수한 능력을 나타내며, 높은 CO 변환율과 낮은 CO2 선택성을 가지며 활성 및 선택성 측면에서 다른 FT 촉매보다 우월하다. (2) 망간 촉진: Mn을 첨가하면 장기간 운전 상태에서도 O/P 비율과 LAO 선택성을 현저히 향상시킬 수 있으며, 동시에 χ-Fe5C2의 안정성과 상순도를 유지한다. (3) 산업 관련성: 이 촉매는 중간 온도와 압력에서의 성능 및 상대적으로 낮은 이산화탄소 배출로 인해 Fischer-Tropsch 화학 산업에 유망한 후보로 자리잡을 수 있다. 저 부산물로서의 높은 LAO 생산 능력은 더 지속 가능한 합성 가스 전환 공정에 잠재력을 제공한다. (4) 확장성: 이 연구에서 사용된 현장 특성화 기술은 촉매 공정이 산업용으로 규모 확장될 수 있음을 보장하고, 운영 조건 하에서 신뢰할 수 있는 활성 상을 형성한다.
전반적으로 Mn-χ-Fe5C2 촉매는 Fischer-Tropsch 촉매 분야에서 중요한 진전을 이루었으며, 잠재적인 응용 전망을 갖고 있습니다. 이는 LAO 생산뿐만 아니라 재생 신규 합성 가스 원료로부터 가치 있는 탄화수소 화합물 및 화학물을 생산하는 데 사용될 수 있습니다.