鈷（Co）基催化劑廣泛應用于工業費托合成（FTS），但是在原子水平上實現合理的催化劑設計，以獲得更高的活性和更多的長鏈烴類產品仍然面臨著巨大困難。其中，具有獨特的電子界面和幾何界面相互作用的雙原子位點催化劑（dual-atomic-site catalysts, DASCs），為開發高性能的FTS催化劑提供了很好的機會。基于此，清華大學李亞棟院士、中科院物理研究所杜世萱研究員、中科院山西煤炭化學研究所陳建剛研究員和溫州大學孟格博士（共同通訊作者）等人報道了一種具有釕（Ru）和鋯（Zr）雙原子位點的Ru1Zr1/Co催化劑（即Ru1Zr1/Co DASC），其通過一種新型金屬有機骨架（MOF）前驅體策略合成。測試發現，Ru1Zr1/Co DASC具有較高的FTS活性（在200 ℃時周轉頻率為3.8×10-2 s-1）和C5+選擇性（80.7%）。
通過對照實驗組顯示，Ru和Zr單原子位點對Co NPs具有協同作用。密度泛函理論（DFT）計算表明，Ru/Zr雙位點顯著削弱了C-O鍵，降低了速率限制勢壘，促進了鏈的生長過程，從而極大提高了FTS性能。該工作證明了雙原子位點催化劑設計在提高FTS性能方面的有效性，并為開發高效的工業催化劑提供了新的機會。
費托合成法（FTS）是一種將煤、天然氣或生物質中的合成氣轉化為清潔燃料和高附加值化學品（烯烴、汽油等）的有效方法。雖然Co和Fe基催化劑應用于工業FTS，但Co基催化劑由于其高催化活性和低水氣移（WGS）活性，被認為是生產液體燃料的最佳催化劑。然而，高活性和長鏈烴選擇性仍是其廣泛工業應用面臨的挑戰。通常，催化活性和選擇性的變化，通過調節催化劑在原子級界面上的電子或幾何結構可實現。
由于FTS反應過程復雜，一個原子位點難以高效地覆蓋所有的催化步驟，需要多個活性位點設計才能同時達到最高的本征活性和重烴選擇性。近年來，雙原子位點催化劑（DASC）中相鄰的兩個異核原子通常表現出不同的電子性質、配位環境、與載體的相互作用等，導致更有機會通過電子軌道的相互作用來調整d帶中心，優化不同中間體的吸附能。因此，DASCs在提高FTS的本征活性和長鏈烴選擇性方面具有很大的潛力。然而，用于高性能FTS催化的DASC的合理設計仍然缺失。
作者通過MOF介導的合成策略制備了Ru1Zr1/Co DASC。首先，作者采用溶劑熱法制備了不同金屬離子（CoZn-MOF、ZrCoZn-MOF、RuCoZnMOF、RuZrCoZn-MOF）的混合金屬MOFs。其次，將MOFs在400 °C的空氣中煅燒，有機配體分解并排出，其結構轉變為金屬氧化物。最后，在H2作用下金屬氧化物被還原，部分Co2+離子被還原為金屬Co NPs，而Ru和Zr原子在Co NPs和ZnO載體上保持隔離分散，分別形成Co、Zr1/Co、Ru1/Co和Ru1Zr1/Co樣品。值得注意的是，得到的還原樣品在1% O2/N2鈍化后分別形成CoOx、Zr1/CoOx、Ru1/CoOx和Ru1Zr1/CoOx樣品，便于結構表征。Ru1Zr1/CoOx經過還原和鈍化處理后，保持了良好的相連接和介孔形貌。
在反應48 h后，測試發現Co NPs、Zr1/Co和Ru1/Co的周轉頻率（TOF）分別為0.8×10?2 s?1、1.4×10?2 s?1和2.7×10?2 s?1，而Ru1Zr1/Co的TOF達到了3.8×10?2 s?1。同時，Ru1Zr1/Co DASC的鈷時產率（CTY）是Co催化劑的12倍以上，表明在FTS中Ru1Zr1/Co雙原子位點比Ru1或Zr1單原子位點和純Co界面具有更強的活性。此外，Ru1Zr1/Co DASC的C5+選擇性最高，達到了80.7%，而Zr1/Co、Ru1/Co和Co催化劑的C5+選擇性分別為71.4%、66.4%和60.8%。結果表明，隨著Zr和Ru單原子的加入，產物分布向較重的產物轉移。需注意，催化劑的鏈生長率（α）從Co的0.46增加到Ru1Zr1/Co DASC的0.78，表明Ru1Zr1/Co DASC更有利于C-O鍵的斷裂和鏈的生長。在120 h的耐久性試驗中，Ru1Zr1/Co DASC僅有輕微的失活，但其活性仍遠高于其他三個樣品。
通過密度泛函理論（DFT）計算，作者研究了Co(111)、Ru1/Co和Ru1Zr1/Co DASC表面的反應機理。通過計算CO在不同CO覆蓋下吸附在不同原子上的結合能，確定了CO在Ru1/Co、Zr1/Co和Ru1Zr1/Co表面上的吸附構型。反應物吸附后，CO生成CHx的過程包括被吸附的CO加氫生成CHO和C-O鍵的裂解。C-O鍵分裂后，O吸附在Zr原子上，CH吸附在Co表面。其中，Ru1Zr1/Co表面的反應勢壘最低（1.10 eV），而Co(111)、Ru1/Co和Zr1/Co表面的反應勢壘分別為1.81、1.22和1.67 eV，因此活性最高。
在圖5a、b中，作者給出了Co(111)、Ru1/Co和Ru1Zr1/Co表面上從C1到C5的反應路徑，而在圖5c-e中給出了相應的速率限制勢壘、中間態能和最終態能。其中，速率限制步驟是C-O鍵斷裂的步驟。從C1到C2過程中，Co(111)上的限速勢壘為1.78 eV，遠高于Ru1/Co（0.97 eV）和Ru1Zr1/Co（0.78 eV）。在Ru1/Co（1.47 eV）和Ru1Zr1/Co（0.92 eV）體系中，勢壘從C2增加到C3。隨著鏈長從C3增加到C5，Ru1/Co的限速勢壘略有減小，而Ru1Zr1/Co的限速勢壘顯著減小。Ru1/Co和Ru1Zr1/Co的中間態能量從C2到C5幾乎相同，而Ru1/Co的終態能量遠高于Ru1Zr1/Co，表明孤立的Zr原子根據Br?nsted-Evans-Polanyi原理穩定了終態，降低了C-O鍵斷裂勢壘。
MOF-Derived Ru1Zr1/Co Dual-Atomic-Site Catalyst with Promoted Performance for Fischer-Tropsch Synthesis. J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.2c09168.
https://doi.org/10.1021/jacs.2c09168.
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