铁碳化物催化剂，尤其是Fe7C3相，在将二氧化碳高效加氢转化为烯烃方面具有巨大潜力。然而，在反应条件下稳定该相仍然是一个重大挑战。
2025年8月28日，中国科学院煤炭化学研究所/中科合成油技术股份有限公司刘金家，刘兴武，温晓东在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Stabilized Fe7C3 catalyst with K-Mg dual promotion for robust CO2 hydrogenation to high-value olefins》的研究论文，Fei Qian，Maolin Wang为论文共同第一作者，刘金家，刘兴武，温晓东为论文共同通讯作者。
在本文中，作者报告了从普鲁士蓝类似物衍生的近乎相纯的Fe7C3催化剂的稳健且高效的合成方法，其稳定性通过战略性地引入K和Mg助剂而显著增强。
表征结果表明，K加速了碳化过程，并显著提高了烯烃的选择性，而Mg有效地抑制了水诱导的氧化，保持了Fe7C3相的结构完整性。
在优化的反应条件下（340 ℃，2 MPa，H2/CO2=3），Fe7C3-KMg催化剂实现了41.5%的二氧化碳转化率和67.1%的烯烃选择性，并在超过1000 h的时间内保持了卓越的催化稳定性。
该研究为合理设计稳健的铁碳化物催化剂以可持续且高效地将二氧化碳转化为高附加值化学品提供了宝贵的新见解。
图1：经过全面表征的使用过的催化剂。a 使用过的Fe、FeMg、FeK和FeKMg的XRD图谱。b 使用过的FeKMg的穆斯堡尔谱。c Fe K边X射线吸收近边结构（XANES）光谱。d 在Fe K边的傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构（FT EXAFS）用于Fe、FeMg、FeK和FeKMg。FeKMg催化剂的 (e) 粒径分布和16px;line-height: 1.75em;"},"namespaceURI":"http://www.w3.org/1999/xhtml"}]"> (f) HRTEM图像。g Fe、FeMg、FeK和FeKMg催化剂的Fe 2p XPS谱图。h FeKMg催化剂的STEM-EDS元素分布图和线扫描分析。i 所有使用过的催化剂（Fe、FeMg、FeK、FeKMg）均在达到稳态催化性能后收集，标准条件为340°C、2 MPa、H2/CO2 = 3、GHSV=6 L gcat−1 h−1。
图2：催化剂在反应过程中的相演变。a Fe，b FeMg，c FeK，d FeKMg。反应条件：0.10 g催化剂，340 °C，GHSV=6 L gcat−1 h−1，2 MPa，H2/CO2=3。e 在反应过程中观察到的催化剂相转变。f 催化剂相的示意图。
图3：催化性能。Fe基催化剂上CO2加氢的产物分布：a FeK，和b FeKMg。条形图显示了不同碳数的烃类选择性与碳数的关系。c Fe7C3-K在不同Mg水平下的CO2转化率和产物选择性。d 与之前报道的催化剂相比的催化性能。e Fe7C3-KMg催化剂的稳定性测试。（反应条件：0.10 g催化剂，340°C，2.0 MPa，H2/CO2=3，GHSV=6 L gcat-1 h−1）。
图4：水对催化性能和表面结构的影响。a 在干燥条件下和额外添加10%气态水的CO2加氢活性（反应条件：0.10 g催化剂，340°C，2.0 MPa，H2/CO2=3，GHSV=6 L gcat-1 h-1）。b 反应后记录的拉曼光谱（光谱1-6代表反应的顺序阶段）。
图5：Mg促进剂的机制。a 在Fe7C3-K和Fe7C3-KMg上H2O解离过程的理论计算。b Fe7C3-K和Fe7C3-KMg上Fe-O键的晶体轨道汉密尔顿布居（COHP）分析。c 通过Fe7C3-KMg催化剂体系从CO2合成烯烃的反应过程示意图。
综上，作者研究了K-Mg双掺杂稳定的Fe7C3催化剂在二氧化碳加氢制高附加值烯烃中的应用，通过从普鲁士蓝类似物衍生出近乎相纯的Fe7C3催化剂，并利用K和Mg的协同作用显著增强了催化剂的稳定性和催化性能。
在优化条件下实现了41.5%的二氧化碳转化率和67.1%的烯烃选择性，并保持了超过1000 h的卓越催化稳定性。
该研究不仅为设计稳健的铁碳化物催化剂提供了新见解，也为可持续和高效地将二氧化碳转化为高附加值化学品开辟了新途径，具有重要的科学意义和广阔的应用前景。
Stabilized Fe7C3 catalyst with K-Mg dual promotion for robust CO2 hydrogenation to high-value olefins. Nat. Commun., 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-63218-3.
