类型a：
研究背景
本文由Yingbin Zheng、Junjie Li*、Xinbao Zhang、Jie An、Wenjie Xin、Xiangxue Zhu和Xiujie Li*合作完成，发表于ACS Catalysis期刊2023年8月8日第13卷，标题为《Effect of CO2 Co-feeding on the Stabilization of Atomically Dispersed Iron Species over MgAl2O4 during Ethane Dehydrogenation Reactions》。研究聚焦于乙烷脱氢（ethane dehydrogenation）反应，旨在开发一种在高温还原性环境中稳定的催化剂，以高效利用页岩气中的乙烷生产乙烯（ethene）。
乙烯是石化工业中最重要的原料之一，全球80-90%的乙烯通过蒸汽裂解技术生产，但该技术能耗高且选择性低。相比之下，乙烷催化脱氢是一种更环保、经济的替代方案。然而，现有催化剂（如Pt基和Cr基）易因金属烧结（sintering）和积碳（coke poisoning）失活。Fe基催化剂因其成本低且资源丰富成为研究热点，但其在高温下的稳定性仍需提升。
研究内容与方法
催化剂制备与表征
- 载体合成：通过水热法合成了不同Mg/Al比例的MgAl2O4尖晶石载体（xMg yAl），并通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）验证其结构和形貌。结果显示，3Mg7Al载体具有片状形貌（sheet-like morphology）和较高的比表面积，有利于Fe物种的分散。
- 催化剂制备：采用初湿浸渍法（incipient wetness method）将Fe(NO3)3·9H2O负载到载体上，经干燥和煅烧后得到Fe/xMg yAl催化剂。通过57Fe Mössbauer谱、X射线吸收光谱（XAS）和H2程序升温还原（H2-TPR）表征发现，Fe/3Mg7Al中Fe物种以原子级分散的Fe3+形式存在，且与载体相互作用较强。
催化性能测试
- CO2共进料效应：在乙烷脱氢反应中，引入CO2可显著减缓催化剂失活。通过原位高角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）和准原位57Fe Mössbauer谱发现，CO2抑制了Fe物种的完全还原和烧结，仅部分Fe3+还原为Fe2+，而传统无CO2条件下Fe会形成Fe3C纳米颗粒并导致积碳。
- 反应机理：CO2通过逆水煤气变换反应（RWGS）消耗H2，推动反应平衡向乙烯生成方向移动。同时，CO2的弱氧化性防止Fe物种过度还原和碳沉积。
长期稳定性测试
Fe/3Mg7Al在6次反应-再生循环后仍保持原子级分散的Fe物种，活性可通过简单的O2处理完全恢复。而仅用CO2再生的催化剂活性逐渐下降，表明O2对Fe2+再氧化至关重要。
主要结果与结论
- 载体优化：3Mg7Al载体因其尖晶石结构和片状形貌，提供了高分散的Fe活性位点，且与Fe的强相互作用抑制了烧结。
- CO2的作用：CO2共进料通过RWGS反应提高乙烯选择性，并稳定Fe物种，仅允许部分还原（Fe3+→Fe2+），避免Fe3C形成。
- 动态结构演化：原位表征揭示了Fe物种在反应中的还原-烧结-脱附过程，CO2的存在显著减缓了这一过程。
- 应用价值：该研究为设计高效、稳定的乙烷脱氢催化剂提供了新思路，尤其适用于CO2介导的轻烷烃脱氢反应。
研究亮点
- 创新催化剂设计：通过MgAl2O4尖晶石载体和CO2共进料策略，实现了原子级分散Fe物种的长期稳定。
- 先进表征技术：结合原位HAADF-STEM和准原位Mössbauer谱，直观揭示了Fe物种的动态演化机制。
- 工业应用潜力：催化剂在高温还原性环境中表现优异，且再生简单，具备工业化推广价值。
其他价值
本研究不仅解决了Fe基催化剂的稳定性问题，还为CO2的资源化利用（如RWGS反应）提供了新途径，兼具环境与经济效益。