英文原题：Nitrogen-Functionalized Modulation of Iron Nanoparticles Promotes Selective Hydrogenation of Carbon Dioxide

作者：Xianbiao Wang, Jun Qian, Zixuan Lu, Jie Huang, Liru Zheng, Yong Jiang, Mengdie Cai, Yuxue Wei, Lisheng Guo*, Song Sun*

01 论文信息

论文信息

Wang X, Qian J, Lu Z, et al. Nitrogen-Functionalized Modulation of Iron Nanoparticles Promotes Selective Hydrogenation of Carbon Dioxide[J]. Green Carbon, 2025.

论文关键词

CO₂ hydrogenation; Nitrogen promoter; Iron-based catalyst; Light olefins; Carbon

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2024.09.010

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Nitrogen-Functionalized Modulation of Iron Nanoparticles Promotes Selective Hydrogenation of Carbon Dioxide

中文解读原链接

Green Carbon│安徽大学孙松教授、郭立升副教授：氮掺杂碳载铁基催化剂助力二氧化碳制备轻质烯烃

02 背景简介

随着绿色氢能技术的发展，CO₂加氢制备烯烃受到广泛关注。对于CO₂加氢反应，铁基催化剂被认为是最具发展潜力的催化剂，一般来说，载体材料的选择对活性中心的分散和稳定起到重要作用，其中碳材料因易改性、恰当的金属-载体相互作用等特点而被广泛应用于催化剂的载体材料。研究表明，氮助剂可作为电子供体或活性金属的锚定位点进而调节催化剂表面性质；氮掺杂碳、氮掺杂碳负载金属复合纳米材料已被广泛应用于能源和环境领域。

安徽大学的郭立升副教授和孙松教授团队于Green Carbon上发表了标题为“Nitrogen-Functionalized Modulation of Iron Nanoparticles Promotes Selective Hydrogenation of Carbon Dioxide”研究论文，该文章研究了氮助剂对碳载铁基催化剂在CO₂加氢反应中催化性能的调控作用，结果显示氮助剂可影响催化剂的纳米形貌特征，改变碳载体—金属之间的电子分布；并进一步发现吡咯型氮物种可能更有利于轻质烯烃的解离吸附以获得更高轻的质烯烃选择性。

03 文章简介

CO₂加氢反应催化性能研究

文章通过固定床反应器评价了催化剂的CO₂加氢反应催化性能。结果显示，随着氮掺杂量的增加，CO₂转化率呈火山型分布，FeC-N催化剂展示出最佳性能，轻质烯烃选择性最高，分析发现轻质烃的烯/烷比值明显下降，说明氮助剂的引入对催化剂的轻质烯烃选择性有重要影响（图1）。

图1. 不同催化剂的CO₂加氢反应（a）催化活性及（b）产物分布

CO₂加氢反应加氢机理研究

引入氮助剂会导致Fe和N的XPS谱图的结合能峰向低结合能方向偏移，说明掺杂氮助剂会改变活性铁物种与载体之间的电子相互作用。进一步研究表明FeC-N催化剂含有更多的吡咯型氮物种，将氮物种含量与产物分布结合考虑，发现高含量的吡咯型氮可能更有利于生成轻质烯烃。此外，原位乙烯氢化实验（先通入乙烯，吸附达饱和状态后通入氢气）进一步证明了FeC-N和FeC-8N催化剂对乙烯的吸附能力的不同导致了产物分布差异（图2）。

图2.（a）FeC-N和（b）FeC-8N催化剂乙烯氢化实验原位DRIFTS谱图以及（c）C=C特征峰强度与反应时间关系

总结及展望

通过水热法可以便捷地将氮助剂引入到催化剂中，氮助剂对催化剂的形貌、金属负载效果、金属尺寸分布均有重要影响，其中FeC-N催化剂表现出最佳催化性能，乙烯选择性最高，进一步探究发现不同氮物种对催化性能具有重要调控作用，吡咯型氮更有利于轻质烯烃的解离脱附，从而提高了轻质烯烃选择性。目前，氮功能化的碳载铁基催化剂在CO₂加氢领域的研究仍显不足，尤其是关于不同氮物种对催化活性的调控作用和相应反应机理的探究。在未来，可通过特定方法制备具有某种高含量氮物种构成的催化剂，并深入探究氮物种对催化剂纳米结构及催化性能的影响。

04 文章摘要

Abstract

Nitrogen-functionalized iron nanoparticles were prepared using a one-pot hydrothermal process. The utilization of urea as a nitrogen source during the hydrothermal process significantly influenced the morphology and defects of the obtained catalyst. Within an optimal range, the actual nitrogen promoter content could be controlled by altering the amount of urea introduced. The presence of a nitrogen promoter not only impacts catalytic activity but also plays a crucial role in product distribution. The FeC-N catalyst exhibited 32.0% selectivity toward light olefins, with a CO₂ conversion of 26.8%. The improvement in catalytic performance correlated with the specific surface area, dispersion of iron species, number of defect sites, and content of pyrrolic N species. Moreover, the enhanced selectivity for light olefins can be attributed to easier desorption from the FeC-N catalyst, thereby avoiding the over-hydrogenation of light olefins to paraffins.

05 作者简介

郭立升 副教授

郭立升，博士，安徽大学化学化工学院副教授、博士生导师，Green Carbon青年编委。博士毕业于日本国立富山大学，师从椿范立院士；主要聚焦低碳分子（CO/CO₂/CH₄）催化转化、纳米催化剂设计合成、碳基新材料研制与应用等。以第一或（共同）通讯作者在国际期刊Nature Commmun.、Angew. Chem. Int. Ed.、AIChE J.等发表论文40余篇，合作撰写学术专著1章，申请国家专利10余项，先后主持/完成国家自然科学基金（青年/面上）、企业委托、开放课题等项目。2023年获辽宁省自然科学二等奖1项，2024年获JCOU-ICCDU Young Scientist Award，担任ACS、Springer、Wiley、Elsevier等多个出版集团旗下期刊审稿人。

孙松 教授

孙松，博士，安徽大学化学化工学院教授、博士生导师、副院长。2010年毕业于中国科学技术大学，2010-2016年中国科学技术大学博士后、副研究员；2017-2018年日本东京大学工学部研究员；2018年至今在安徽大学工作，安徽省“青年百人”，安徽省双创团队领军人才。主要从事化工新材料、催化材料与机理研究。主持科技部重点研发计划子课题1项、国家自然科学基金2项、安徽省重点研发计划等，发表论文100余篇，申请专利30余项。

06 Green Carbon

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