合成氣高效轉化：
從低效碳利用到精準催化
石油長期以來是燃料與化學品生產的主要原料，但煤炭、天然氣和生物質等替代資源的開發(fā)日益受到關注。這些資源通過氣化生成合成氣（CO/H2混合物），隨后利用費托合成(FT)技術進一步轉化。然而，傳統(tǒng)FT工藝雖在燃料生產中成熟，卻在化學品合成領域面臨挑。以線性α-烯烴（LAOs）為例，其當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，產物中C2-C4烯烴占比過高，目標產物C5-C10 LAO收率不足，同時伴隨大量CO2排放。
研究團隊創(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)定運行200小時，實現(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寬溫域內均保持穩(wěn)定，展現(xiàn)出工業(yè)化應用的巨大潛力。
先進的球差校正環(huán)境透射電子顯微鏡能在原位條件下，深入探究費托催化劑在反應過程中的活性相變化。具體而言，環(huán)境電鏡能夠精確測量催化劑晶粒尺寸、晶體結構以及元素分布的實時動態(tài)，這些參數(shù)均會隨著反應條件（如氣氛組成、溫度等）的調整而發(fā)生變化。通過環(huán)境電鏡，在接近真實反應環(huán)境的條件下（包括特定的氣體氛圍和加熱條件），我們能夠直接觀察并記錄催化劑晶體結構與物相的空間演變，為揭示催化劑的反應機理提供了強有力的證據(jù)。
蔣復國研究員
北京低碳清潔能源研究院
原位觀察催化機理：
環(huán)境電鏡揭示動態(tài)過程
研究團隊利用Thermo Scientific™ Titan ETEM G2球差校正環(huán)境透射電子顯微鏡（ETEM），實現(xiàn)催化劑碳化過程的原子級原位觀測[1]。實驗在合成氣（H2/CO=30/1）、500帕壓力及350°C條件下進行。結果表明，雷尼鐵納米顆粒的碳化始于內部，逐步向外擴展，30分鐘內即可完成從氧化層包裹態(tài)到純相χ-Fe5C2晶體的轉變。這一動態(tài)過程為精準設計調控催化劑提供了關鍵數(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，將帶領線性α-烯烴產業(yè)鏈的躍升。
技術革新：
Spectra ETEM推動催化研究新紀元
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，其憑借以下革新設計，成為催化研究的利器：
兼容各種全新表征高靈敏度探測器與低劑量表征技術：
Panther STEM、iDPC、EMPAD、Ceta-S、Falcon 4i……
遠程操作平臺，使科研人員進一步免于氣體危害。
配備有單色器的超亮熱場場發(fā)射電子槍，可簡便準確地控制電子劑量。
搭配雙球差校正器，進一步拓展環(huán)境透射電鏡的表征能力。
進一步優(yōu)化氣體控制系統(tǒng)，搭配了3 個不同的氣體入口，并可預設分壓。
極靴內無窗高壓氣氛環(huán)境，可在S/TEM模式提供最佳襯度和分辨率。
出色的 ETEM 真空系統(tǒng)與大極靴設計，兼容大角度雙傾桿與種類豐富的原位樣品桿。
非 ETEM 模式（高真空模式）下可達到常規(guī)Spectra球差校正平臺的性能指標。
未來，Spectra ETEM有望幫助科學家在能源材料、納米催化等領域推動更多發(fā)現(xiàn)，加速實驗室成果向工業(yè)化應用的轉化。
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