[发明专利]一种高纯Fe5

说明书

本发明提供一种高纯Fe₅C₂纳米颗粒的制备方法及在费托合成反应中的应用。高纯Fe₅C₂纳米颗粒的制备以常规廉价的铁氧化物为前驱体，采用含氢气和一氧化碳的反应气体还原和渗碳铁氧化物，基于铁氧化物前驱体尺寸、碳化过程中反应气体的氢碳比、升温速率和反应温度等的协同调控，本质上使得铁氧化物在反应过程中具有适宜的氧原子移除、碳原子渗入和碳沉积过程速率与程度，获得高纯Fe₅C₂纳米颗粒。本发明所提供的Fe₅C₂纳米颗粒应用于费托合成反应，具有高的催化活性，高的C₂‑C₄轻质烯烃产率和高的稳定性。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种高纯Fe₅C₂纳米颗粒的制备方法及在费托合成反应中的应用。

技术背景

碳化铁是一种铁碳间隙化合物，其中碳原子占据了紧密排列的铁原子之间的空隙。根据碳原子在晶体结构占据的位置，它们可以分为三棱柱碳化物(ε-Fe₂C 和ε′-Fe_2.2C)和八面体碳化物(θ-Fe₃C、χ-Fe₅C₂和Fe₇C₃)。研究发现Fe₅C₂具有非常明显的特性例如，高磁饱和特性、良好的光热效应、稳定性和低毒性，使其在磁学、光电催化、环境净化和生物医学领域等应用前景广阔。Fe₅C₂同时具有化学活性，可以作为催化剂和催化剂载体使用。

费托合成反应提供了一种直接可行的，从合成气(CO/H₂)生产化学品和碳氢化合物燃料的途径，该技术被认为是未来减轻人类对石油消耗严重依赖的途径之一。通常认为，费托反应的活性相是铁碳化物，其中Fe₅C₂被认为是活性相之一。制备高纯Fe₅C₂对费托合成或其他应用领域具有重要学术意义和应用价值。

目前发展的制备Fe₅C₂的方法包括高温固相制备方法、气固相碳化法和液相合成法。高温固相制备方法是将块体铁材料，加入碳粉，通过1000度以上的高温碳化制备Fe₅C₂，参见潘也唐[硕士学位论文，哈尔滨工业大学，中国，2013]。气固相碳化法常采用甲烷或一氧化碳等气体作为碳化剂，将铁单质或氧化物前驱体碳化制备Fe₅C₂，参见王晓明[硕士学位论文，武汉科技大学，中国，2010]。但是，由于转变过程中氧原子移除、碳原子渗入或碳沉积等反应过程互相竞争、互相影响，这极大的增加了制备高纯Fe₅C₂的难度，导致所获得的产物通常是包含Fe₅C₂、Fe₃C、Fe₂C、或氧化物在内的多种混合物；另外，由于反应过程中容易存在严重的积碳现象，导致活性组分被包住，同时导致固定床层压力降激增，存在安全隐患，参见[王晓明，硕士学位论文，武汉科技大学，中国，2010；J.Am. Chem.Soc.,2010,132:14928–14941]。

进一步地，为了合成高纯Fe₅C₂纳米粒子，有研究者提供了一种液相合成法，即以五羰基铁(Fe(CO)₅)为铁源的合成方法，合成过程中包括五羰基铁分解产生铁纳米粒子，随后在以卤代胺盐为碳化诱导剂、长链胺作为碳源和溶剂的体系中在高温下(250～380℃)碳化制备Fe₅C₂纳米颗粒的方法。然而，五羰基铁特别活泼，是一种价格昂贵的易燃、剧毒的试剂。对于工业生产，使用五羰基铁作为原料，需考虑运输、使用以及后处理等过程的保护措施及生产成本的问题。