我所孙剑、葛庆杰研究团队开发了Na-S协同改性的铁基催化剂并研究其CO₂加氢反应性能。借助化学吸附仪对铁基催化剂的CO活化能力进行分析，发现Na-S协同改性可优化催化剂表面CO解离与非解离吸附位点的匹配作用，促进*CO与烷基物种的结合，提升C₂₊醇产物的选择性。相关工作以“Monometallic iron catalysts with synergistic Na and S for higher alcohols synthesis via CO₂hydrogenation”为题发表在Applied Catalysis B: Environmental上。

本工作利用了我所能源研究技术平台(DNL20)的全自动化学吸附仪。通过H₂-TPR、CO₂-TPD及H₂-TPSR分析了原料气及中间物种CO在催化剂表面的吸附及反应能力，以此揭示双助剂Na-S协同对CO₂加氢反应历程及产物分布的影响。

CO₂加氢反应中，催化剂表面吸附的CO是合成C₂₊醇的关键中间物种，CO解离与非解离吸附能力的平衡匹配是提升C₂₊醇选择性的关键。本工作将CO₂-TPD过程中CO₂和CO的信号对比用作CO活化能力的参考。相比于FeNa催化剂，FeNaS-0.6及FeNaS-im催化剂的谱图中CO/CO₂比值偏低，且在CO₂加氢反应中表现出较高的CO选择性，说明引入S会在一定程度上降低催化剂活化CO的能力。继而通过CO预吸附H₂-TPSR技术考察了Na-S改性对铁基催化剂上CO解离与非解离吸附能力的影响。FeNaS-im催化剂上CO脱附量明显高于FeNa，但H₂消耗量明显低于FeNa，说明引入S可增加铁基催化剂表面非解离吸附CO的位点，同时减少CO解离位点，优化了两种位点在醇合成反应中的平衡匹配。此外，FeNaS-0.6及FeNaS-im催化剂上CO起始脱附温度及对应最大值均低于FeNa，说明引入S还会削弱非解离吸附CO在催化剂表面的吸附强度。这均将促进*CO与烷基物种的结合，有利于C₂₊醇的生成。以上结果为解释Na-S改性铁基催化剂上明显提升的C₂₊醇选择性提供了有力的证据。

Figure(a) H₂-TPR profiles; (b) MS signals of CO₂and CO during CO₂-TPD process. The quantitative results of CO and CO₂desorption above 400 ℃ are given and labeled, and the CO₂desorption amount on FeNaS-0.6 is defined as a standard; MS signals of (c) CO and (d) H₂under CO pre-adsorption and H₂-TPSR tests. The CO desorption above 700 ℃ on FeNaS-0.6 is used as a standard.

化学吸附仪是催化研究领域中常用的分析仪器。能源研究技术平台(DNL20)的全自动化学吸附分析系统，配有高精度质量流量计、TCD热导检测器及质谱检测器，能够对催化剂样品进行TPR、TPD、TPO、脉冲吸附、程序升温反应等实验，也可结合需求在同一实验中设计多种分析。在不同气氛下研究催化剂的吸附及反应能力，可增加对催化剂上活性位点的种类、分布及反应活性的认识，有助于认识反应历程，揭示反应机理。

该工作的第一作者是我所19T3组博士研究生姚如伟。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120556