為實現高原子利用率和催化效率，工業催化劑的活性核心組分通常是納米尺寸。理解催化劑納米顆粒反應條件下的物相演化行為，對可持續能源技術中催化劑理性設計具有意義。鐵基催化劑應用廣泛，可用于合成氣轉化及CO2加氫等工業領域。但反應氣氛下，鐵基催化劑通常表現出復雜的物相演化行為，并伴隨組分變化。多種碳化相的共存與轉化，導致其動態反應條件下的結構穩定性與演化機理缺乏系統性認識，限制了催化材料的理性設計與性能優化。
針對這一問題，中國科學院山西煤炭化學研究所基于碳化學勢這一描述反應氣氛的關鍵熱力學變量，構建出綜合考慮納米尺度熱力學與納米相變動力學普適性理論框架，系統研究了反應條件、粒徑和物相演化之間的復雜耦合關系。研究發現，納米尺度效應在費托合成條件下，對碳化鐵的物相選擇性和演化路徑具有決定性作用。基于該理論框架，研究團隊解釋了多相催化領域存在的疑問——在費托合成條件下χ-Fe5C2相為何普遍占優而Fe7C3相極為罕見，該現象源于不同鐵碳物相在納米尺度下的熱力學穩定性與動力學可達性差異。團隊通過相變實驗和各種先進表征技術對理論預測進行嚴格驗證，實驗結果與理論預測一致。
研究首次集成納米尺度熱力學理論和納米相變動力學理論，解釋化學組分可變的固體催化劑納米顆粒在反應條件下的相變現象。這為高性能鐵基催化劑的設計與優化奠定基礎，也為預測和調控用于多種高效能源轉化技術的復雜多元素納米催化劑相行為建立普適性理論框架。
相關研究成果發表在《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）上。研究工作得到國家自然科學基金委、中國科學院、科學技術部等的支持。
論文鏈接
集成納米尺度熱力學信息與相變動力學信息的碳化鐵納米顆粒綜合相圖
本文鏈接：費托合成鐵基催化劑相變調控理論研究取得進展http://www.sq15.cn/show-12-2028-0.html
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