Highly Efficient Assembly-Line Production of Long-Chain Hydrocarbons via Fischer–Tropsch Synthesis over Ru/TiO2 Catalysts

化学 费托法 催化作用 装配线 碳氢化合物 组合化学 有机化学 化学工程 选择性 机械工程 工程类
作者
Dejian Zhao,Shuaishuai Lyu,Qingpeng Cheng,Yunhao Liu,Pengwei Zhao,Qicheng Zhang,Yingtian Zhang,Yu Pan,Xiaoshen Li,Shaohui Xiong,Zhihong Wang,Xingang Li,Xingang Li,Xingang Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (24): 20493-20503 被引量:12
标识
DOI:10.1021/jacs.5c02684
摘要

The assembly-line strategy serves as an effective way for optimizing tandem steps in the fields of enzyme catalysis and homogeneous catalysis. Herein, we rationally construct efficient Ru/TiO2 catalysts for an important industrial heterogeneous reaction of Fischer-Tropsch synthesis (FTS), involving CO dissociation, hydrogenation, and C-C coupling complex processes. These catalysts feature an "assembly-line" structure composed of oxygen vacancies (Ov), interfacial Ru (RuIδ+ at RuIδ+-Ov-Ti3+), and exposed Ru (RuE0) sites. Both experimental and theoretical results demonstrate that RuIδ+ sites with the assistance of Ov primarily contribute to CO dissociation and hydrogenation to C1 monomers (workshop 1), while RuE0 sites predominantly drive the above intermediates to C-C coupling for carbon chain growth (workshop 2). We interestingly discover that besides the performance of the two workshops themselves, their efficient coordination is key to improve the activity and long-chain hydrocarbon selectivity in FTS. Optimizing this trisite catalytic system via tuning the prereduction time of the TiO2 support robustly achieves an ultrahigh FTS activity (180.8 molCO molRu-1 h-1) while maintaining an impressive C5+ selectivity (90.1%), outperforming the vast majority of state-of-the-art Ru-based FTS catalysts. This work not only clearly clarifies the synergistic mechanisms of multiple active sites but also offers valuable guidance for the application of the assembly-line strategy in complex heterogeneous catalysis reactions.
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