近日，中國科學院大連化學物理研究所催化與新材料研究室研究員黃延強、中科院院士張濤團隊在調控費托合成反應中CO解離的作用機制方面取得進展，研究發現在還原過程中Ru納米顆粒(NPs)上形成的TiOx覆蓋層可直接參與C-O鍵的解離，從而顯著提高其在費托合成反應中的活性。
費托合成反應可以將非石油資源(煤、天然氣、生物質等)經合成氣轉化為具有高附加值的燃料或化學品，為發展替代能源提供了一條技術路線。在費托合成反應中，CO解離并進一步加氫形成CHx中間物種的步驟至關重要，通常發生在Fe、Co、Ru金屬表面，其中金屬Ru表現出優的反應性能。然而，Ru基催化劑存在明顯的粒徑效應，8 nm左右的Ru NPs才具有較高的費托反應活性，這嚴重降低了貴金屬Ru的利用效率。開發高分散、高活性的Ru基費托合成催化劑具有重要的意義。
該團隊利用金紅石型RuO2與TiO2晶型相同、晶格匹配度高的特點，成功合成了高分散、高穩定的Ru/TiO2催化劑，其中Ru NPs粒徑僅為2 nm左右，經600 ℃高溫還原處理后粒徑未發生明顯變化。該團隊通過改變催化劑的還原溫度，實現了金屬-載體強相互作用程度的可控調節，獲得了具有不同金屬-載體界面結構的Ru/TiO2催化劑。研究表明，在適宜的金屬-載體界面協同作用下，約2 nm的Ru NPs可以在溫和條件下(160 ℃)表現出優異的費托反應活性，其TOF值是目前文獻報道的高值。通過多種表征技術并結合理論計算發現：利用金屬-載體強相互作用形成的TiOx覆蓋層可直接參與C-O鍵的解離，從而顯著提高了Ru基催化劑的費托反應活性。本工作不僅揭示了金屬-載體強相互作用在費托合成反應中的催化作用機制，還為其他高分散金屬催化劑的設計提供了新思路。
該研究成果發表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。本工作得到國家重點研發計劃“納米科技”重點專項項目、國家杰出青年科學基金項目、中國科學院戰略性先導科技專項“功能納米系統的精準構筑原理與測量”等的資助。
