科研团队实现铁氧化物高效催化合成气制乙醇

近日，中科院大连化物所氢能与先进材料研究部碳资源小分子与氢能利用研究组（DNL1905组）孙剑研究员团队在合成气经草酸二甲酯（DMO）加氢合成乙醇的研究中取得新进展，设计合成了一种铁氧化物催化剂，可在催化过程中原位生成Fe3O4，作为主要活性位点主导DMO深度加氢反应，实现了90%的乙醇收率，并可在反应中保持良好的稳定性。

草酸二甲酯加氢可选择性合成乙二醇，乙醇，乙醇酸甲酯和乙酸甲酯等高附加值化学品，是合成气转化为含氧化合物的重要途径之一。其中，合成乙醇的反应可为煤炭资源清洁利用和乙醇的多元化生产提供可行路径。然而，传统的铜基催化剂在反应过程中存在副产物多、效率不高、反应条件苛刻、稳定性较差等问题。

孙剑团队长期致力于CO2及合成气等含碳资源小分子的转化利用，在合成气经DMO加氢或直接合成含氧化合物领域开展了系统的研究工作（Sci. Adv.，2018；ACS Catal.，2021；Appl. Catal. B: Environ.，2022；Chem Catal.，2023）。本工作中，团队设计了一系列不同晶相的铁氧化物催化剂，可在反应中原位生成四氧化三铁与碳化铁，使反应转化率达到100%，乙醇选择性达90%以上，实现了草酸二甲酯加氢高效合成乙醇。团队还进一步阐明了催化剂构效关系与铁物种参与C=O键加氢的机理。结果表明，催化剂粒子大小可通过影响还原程度、表面吸附行为等作用于铁活性物种的演化过程中，影响草酸二甲酯加氢的产物分布。与传统的Cu物种或金属碳化物作为主要活性位点的观点不同，本工作提出，铁氧化物为主的活性相可促进深度加氢反应步骤，较高的Fe3O4/Fe5C2比例有利于乙醇的形成。该研究为C=O键选择性加氢催化剂的设计提供了新思路。

相关成果以“Iron Oxides Oriented Ethanol Synthesis via Dimethyl Oxalate Hydrogenation from Syngas”为题，于近日发表在ACS Catalysis上。该文章的第一作者是中科院大连化物所DNL1905组博士研究生孙艳楠。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、辽宁滨海实验室能源化工联合专项开放基金等项目的支持。