Он работал в двух должностях, одной из которых было сообщение! Ему понадобилось 5 лет, чтобы подать свою статью на рассмотрение, и в итоге она была принята журналом Nature, решив проблему в области промышленной технологии!

В этой работе Peng Wang, Zhuowu Men из Pekin Energy Group и их коллега Emiel J. M. Hensen из технического университета Эйндховена исследовали возможность использования чистого по фазе χ-карбид железа для максимального снижения проблем с превращением синтез-газа. Этот катализатор был специально разработан и оптимизирован для процесса Fischer-Tropsch (FT) преобразования в линейные α-олефины (LAO) и обладает активностью на 1-2 порядка выше специализированных катализаторов для FT к LAO при температуре 290°C, чем те могут достичь при температуре 320°C и выше. Он также способен стабильно работать в течение 200 часов, обеспечивая 51% и 9% выбора карбонатов для получения требуемых C2-C10 LAO и не требуемого CO2 при условиях, связанных с промышленным производством. Эта улучшенная катализаторная активность сохраняется в широком диапазоне температур (250-320°C), что свидетельствует о потенциале развития этой системы для практического внедрения связанных технологий. Результаты этого исследования опубликованы в последнем номере журнала "Nature" под названием "Efficient conversion of syngas to linear α-olefins by phase-pure χ-Fe5C2". Peng Wang является первым автором этой статьи и ответственным за корреспонденцию.

Стратегическое планирование.

The core of this article is the use of an FT catalyst to convert syngas (CO and H2) into linear alpha-olefins (LAO). The commercial feasibility of the Fischer-Tropsch process faces challenges in low carbon efficiency, often resulting in a significant amount of CO2 byproduct. To optimize this conversion for industrial applications, researchers have designed a new catalytic system based on phase-pure χ-Fe5C2 (Hägg carbide). The main innovations include: (1) Phase purity: The catalyst aims to maintain a high degree of phase purity, ensuring it only contains the active χ-Fe5C2 phase, eliminating competitive oxidation iron phases that may catalyze adverse side reactions. (2) Manganese promoter: To further enhance performance, manganese (Mn) is added as a promoter to optimize the ratio of olefins to paraffins (O/P), improve the selectivity of products such as LAO, and reduce CO2 production. (3) In-situ optimization: By adopting in-situ characterization techniques, this study closely monitors the formation and evolution of active phases under industrially relevant conditions to ensure the best catalytic performance.

Catalytic performance of optimized Mn-χ-Fe5C2.

Эффективность данного катализатора была полностью оценена в различных условиях, чтобы продемонстрировать его преимущества по сравнению с традиционной системой Фишера-Тропша. При более низкой температуре (250–290°C) катализатор Mn-χ-Fe5C2 проявляет высокую конверсию CO и значительную селективность к C2-C10 LAO. Основные результаты исследования включают: (1) высокую конверсию CO: даже при температуре 250°C эффективность конверсии CO этого катализатора на 3-7 раз выше, чем у других передовых катализаторов (которые обычно работают при температуре выше 320°C); (2) снижение селективности к CO2: селективность к CO2 катализатора Mn-χ-Fe5C2 при 250°C может быть до 9%, что значительно снижает потери углерода, превращаемого в CO2, и достигает 45% максимум; (3) соотношение олефинов/парафинов (O/P): O/P соотношение повышается с 1,2, характерного для неактивированных катализаторов, до 4,1 в случае марганцем активированного катализатора, что указывает на более высокую производительность ценных продуктов-олефинов. Добавление марганца играет ключевую роль в этом улучшении, поскольку способствует более сильному поглощению CO, тем самым подавляя вторичное гидрирование олефинов в парафины.

Figures 1a and 1c show the operation time data of CO conversion rate and product selectivity at 250°C and 290°C, respectively, highlighting the catalyst's stability and efficiency over an extended period (up to 100 hours). Figures 1b and 1d describe the distribution of hydrocarbons, demonstrating the significant production of LAO and lower selectivity towards unwanted products like methane and carbon dioxide. Figures 1e and 1f provide a comparative analysis of carbon selectivity and the target LAO time yield, confirming that Mn-χ-Fe5C2 is superior to reported catalysts in terms of LAO yield and CO2 suppression.

Изображение 1. Каталитические свойства оптимизированного Mn-χ-Fe5C2.

Ин ситу характеризация образования и эволюции активных фаз.

To understand the formation and evolution of the active χ-Fe5C2 phase, researchers utilized in-situ X-ray diffraction (XRD) and Mössbauer spectroscopy. These techniques enable real-time monitoring of the transformation of run iron into the active χ-Fe5C2 phase under high-temperature synthesis gas flow. The in-situ XRD patterns (Figures 2a, b) tracked the carburization process from 300°C to 350°C, demonstrating the successful formation of phase-pure χ-Fe5C2. Both unpromoted and manganese-promoted samples followed similar carburization paths, confirming the robustness of this process. Further insights into the stability and purity of the χ-Fe5C2 phase can be obtained through spectroscopy. The data (Figures 2c, d) confirm that even after prolonged operation under Fischer-Tropsch (FT) conditions, the Mn-promoted catalysts can maintain phase purity, with iron carbide remaining the primary phase, ensuring consistent catalytic activity. These in-situ characterizations validate that catalytic phases can reliably form and remain stable under industrial conditions, making the Mn-χ-Fe5C2 system suitable for long-term FT operations.

Figure 2. In situ characterization of the formation and evolution of active phases.

Translated to Russian:
Рисунок 2. Ин ситу характеризация образования и эволюции активных фаз.

Исследование среды для формирования фазы χ-Fe5C2 с использованием TEM.

Используя трансмиссионный электронный микроскоп (TEM), исследователи наблюдали в прямом эфире микроскопическое формирование χ-Fe5C2 во время процесса углерожения рейнейстали в среде синтезгаза. Этот метод позволяет захватывать процессы трансформации в реальном времени на уровне атомов. Серия TEM-изображений высокого разрешения (рисунок 3) показывает, как рейнейсталь из своего начального состояния (окруженного оксидной пассивационной аморфной оболочкой) превращается в полностью карбидированную чистую фазу χ-Fe5C2. Изображения показывают, что углерожение начинается с внутренних слоев и распространяется наружу, завершаясь через 30 минут. Конечное состояние образуют в направлении кристаллографической оси (311) χ-Fe5C2, подтверждая успешное формирование требуемой фазы с межрешеточным расстоянием 2,7 Å.

Image 3. Environmental TEM study of pure phase χ-Fe5C2.

[Summary]

Этот текст содержит важные выводы о разработке и применении чистофазового Mn-χ-Fe5C2 в качестве фишеровского катализатора для эффективного производства прямых α-олефинов из синтезного газа: (1) высокая производительность: оптимизированный катализатор Mn-χ-Fe5C2 проявляет выдающуюся способность превращать синтезный газ в α-олефины, обладает высокой конверсией CO и низкой селективностью к CO2, превосходя другие известные фишеровские катализаторы по активности и селективности. (2) Марганец как стимулятор: даже при длительной эксплуатации в условиях добавление марганца значительно повышает соотношение O/P и селективность к α-олефинам, при этом сохраняя стабильность и фазовую чистоту χ-Fe5C2. (3) Промышленная релевантность: производительность катализатора при умеренной температуре и давлении, а также низкое содержание выбросов CO2 делают его многообещающим кандидатом для применения в фишеровской химической промышленности. Способность достижения высокой производительности α-олефинов с минимальным количеством побочных продуктов предоставляет потенциал для более устойчивого процесса превращения синтезного газа. (4) Масштабируемость: применение в данном исследовании методов ин situ обеспечивает, что катализ можно масштабировать для промышленного применения и надежно формировать активные фазы в рабочих условиях.

В общем и целом, катализатор Mn- χ-Fe5C2 демонстрирует значительный прогресс в области фишеровского катализа, не только имея потенциальные перспективы применения для производства линейных алкилированных оксидов (LAO), но и для производства других ценных углеводородных соединений и химикатов из сырья возобновляемого синтез-газа.