大连化物所ACS Catalysis：乙烷脱氢反应中引入CO2，有效稳定MgAl2O4上原子分散铁物种

乙烷脱氢为页岩气的有效利用和乙烯的生产提供了有效的途径。价格低廉、储量丰富的铁基材料被广泛用作单金属或双金属脱氢催化剂。根据前人报道，在乙烷脱氢反应中，铁基催化剂上会形成Fe₃C物种，在反应和再生过程中难以避免铁物种的烧结。

在催化剂中引入硫酸盐物种还可以通过形成Fe-O-S键抑制Fe₃C物种的生成，但硫酸盐物种的流失会导致Fe物种的相变，从而导致催化剂失活。尽管人们已经为开发新型铁基脱氢催化剂作出了很大的努力，但是在乙烷脱氢过程中设计具有稳定(几乎不可还原的铁物种)和抗烧结活性位点的铁基催化剂仍然是一个挑战。

近日，中国科学院大连化物所李秀杰和李俊杰等采用简单浸渍法制备了含原子分散Fe³⁺物种的片状MgAl₂O₄尖晶石(Fe/3Mg7Al)；在高温(650 °C)下，这些单分散Fe³⁺物种很容易迁移和团聚，引入温室气体CO₂可以抑制Fe³⁺物种的迁移和还原。

实验结果表明，CO₂和H₂之间的逆水煤气变换(RWGS)反应可以导致乙烯的生成，因为反应的平衡向有利于乙烯生成的方向移动；同时，由于片状MgAl₂O₄尖晶石的供氧特性和CO₂的弱氧化作用，原子分散的铁种在6次反应再生循环后仍然得以保留，并且催化剂经过再生后催化活性可以完全恢复。

HRTEM、原位HAADF-STEM和⁵⁷Fe穆斯堡尔谱显示，在乙烷脱氢反应中，这些孤立的Fe³⁺物种经历了完全的还原、烧结和从载体上脱落；并且，由于铁物种的不可逆烧结和脱附，经氧气氧化处理后催化剂的催化性能不能完全恢复，而CO₂的引入有效地稳定了原子分散的Fe物种，反应过程中只有部分孤立的Fe³⁺物种被还原成孤立的Fe²⁺物种。

总的来说，该项工作为乙烷脱氢反应中单分散铁物种的演化提供了理论依据，同时证明了尖晶石负载铁催化剂可以作为CO₂介导的低碳烷烃氧化脱氢的良好候选催化剂。

Effect of CO₂ Co-Feeding on the Stabilization of Atomically Dispersed Iron Species over MgAl₂O₄ During Ethane Dehydrogenation Reactions. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.3c02029

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