“磁性納米材料的控制合成及其能源轉化”取得成果

Fe5C2納米顆粒的合成機理

碳化鐵因其高磁飽和強度和高穩定性等特點，在2000多年前就被廣泛應用于人類生產、生活中。隨著納米科技的發展，除了上述優點外，經研究發現，碳化物納米顆粒還具有超順磁性、超高催化活性等特點，因而有可能被用于能源催化過程。費托合成，其反應過程可表述為nCO + (2n + 1)H2 ? CnH2n+2 + nH2O，從1923年發現至今一直是將煤轉化為油品的重要反應。 我國能源形式具有多煤少油的特點，而隨著生物氣， 頁巖氣的開發， 費托合成在我國能源戰略中占據越來越重要的地位。鐵基費托合成催化劑因其價格低廉、烯烴選擇性高等特點受到廣泛關注，但由于費托反應及其復雜，其反應過程中的真實活性中心無法確定，因而很難實現對鐵基催化劑的調變乃至對反應行為的有效控制。

目前的碳化鐵制備方法繁瑣，常常采用成本高、形貌難以控制、操作也較繁復的高溫固相反應或者激光熱分解等技術。北大研究人員首次在相對溫和的條件下(623 K, 0.1 MPa)，液相制備出了形貌可控的Fe5C2納米顆粒。該方法主要利用了溴離子對于鐵納米顆粒穩定性的增強作用，使其一方面能夠作為Fe5C2納米顆粒的鐵源，另一方面保證其能夠催化長鏈烷胺斷鏈得到不飽和烴(作為碳源)而不被氧化。將此類Fe5C2納米顆粒催化劑應用于費托合成， 在較低溫度表現出對一氧化碳活化的本征催化活性，其活性的出現遠早于對照組的傳統Fe基催化劑。 同時，初始費托反應活性也兩倍于傳統Fe基催化劑，而產物選擇性、鏈增長因子也異于傳統還原氧化鐵催化劑，表明了此類碳化鐵材料在此重要能源催化反應中的潛力。

此外，該Fe5C2納米顆粒除了可用于費托合成催化外，在高性能磁體和生物醫學等方面都具有重要的潛在應用價值。

Fe5C2納米顆粒的結構及催化性能表征

論文第一作者為北京大學工學院博士生楊策，第二作者為北京大學化學與分子工程學院博士生趙華博。該項研究獲得國家自然科學基金與國家重大研究計劃的資助。