研究背景
在反应过程中存在复杂的物相动态演变，不同物相起到的作用不同。这些相间往往协同作用，最终表现出催化剂的整体催化性能。
理论计算、原位表征、催化实验在时间和空间尺度对比示意图
Comparison of theoretical calculation, in-situ characterization and catalytic experiment at time and space scale
文章创新点
本文以铁碳化合物的表面化学性质作为出发点，探讨了不同碳化铁物相的形成条件及表面物种吸附性能，简述了当前DFT计算研究涉及的FTS基元反应，总结了不同机制下链引发、链增长、链终止的机理研究。结合实验研究进展，总结了助剂的加入对铁基催化剂结构和性能的调控机理，结合一些前沿研究，对目前铁基催化剂存在的问题进行总结，对表面碳在催化反应中的作用和各物相催化作用差异等问题进行了展望。
文章结论
已有的研究表明，通过对铁碳化合物相的调控，能大大改善催化剂的催化性能。实验观察到稳定存在的铁碳化合物相主要有Fe2C、Fe5C2、Fe3C、Fe7C3。通过对不同相态FTS反应能量路径的研究标明，将Fe5C2作为FTS的主要活性相的说法需要加一定的限制条件，原因在于不同铁碳化合物相的形成和发挥独特的催化性能需要的反应条件不同。
Fe2C具有优异的FTS反应活性，CO在该表面主要以直接解离方式活化。Fe2C是最先形成的铁碳化合物相，但其生成温度范围较窄(200–250 ℃)。当温度高于250 ℃时，Fe2C转化为Fe5C2。且Fe2C生成温度与RWGS反应温度重合，在实际反应中可能被Fe4O3包覆而无法发挥显著的催化作用。Fe5C2是FTS反应条件下稳定存在的相，Fe5C2具有显著催化活性的原因有两点：(1) FTS适宜反应温度与Fe5C2形成温度重合，Fe5C2在实际反应中成为主要铁碳化合物相；(2) Fe5C2吸附能力适中，不同表面可以以不同方式解离和活化。因此表现出较好的整体催化活性。Fe3C作为高温条件下的FTS活性相，表面吸附能力较强，整体而言CO活化能垒较低，在反应条件下控制形成更多的Fe3C物相可能对整体反应有利。
在对CHx加氢和对C-C耦合机理的研究中，表面C发挥着重要的作用，参与催化反应的循环进行。与Co相比，碳物种在铁表面的吸附较强，在Co表面的吸附适中，在C表面的吸附极弱。对于链增长反应而言，从各物相的研究结果来看，表面结构对C-C偶合反应的影响显著，即使同一种物相，不同晶面的反应性质相差巨大，寻找控制链增长的关键结构因子是催化剂优化的关键之一。最后我们分别总结了结构助剂，电子助剂，过渡金属助剂对铁基催化剂的影响，结构助剂主要起到负载活性中心的作用，通过改变催化剂的比表面积、表面碱度、吸附能力等改善催化剂的催化性能。电子助剂通常指第一组的碱金属，通过改变催化剂电子转移能力来改善催化剂的催化性能。过渡金属催化剂则通过改变活性中心的性质来改善催化剂的催化性能。对于各种费托助剂的理论计算研究相对较少，催化剂的理性设计需要对金属助剂的作用机制进行全面深入的认识。
通讯作者简介
何育荣，男，汉族，1989年7月生，理学博士，毕业于中国科学院山西煤炭化学研究所，北京京信科高端信息产业技术研究院有限公司博士后。从事费托合成催化剂结构和反应机理、费托反应助剂作用机理、多相氢甲酰化反应体系构建、水煤气变换反应、分子筛酸性位点结构解析以及烯烃异构反应机理等方面的研究。主持国家自然科学基金青年项目1项、宁夏回族自治区重点研发计划项目一项，完成北京市博士后科研基金一项。合作发表Science, Angewandte Chemie International Edition, ACS Catalysis, Applied Catalysis B: Environmental, Journal of Catalysis, Catalysis Science & Technology, The Journal of Physical Chemistry C等SCI收录论文三十余篇。
http://www.zhaogroup-nxu.cn/page73
高新华，宁夏大学化学化工学院（省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室）副研究员，硕士生导师，2017年毕业于日本富山大学获工学博士学位，师从日本工程院院士椿范立(Noritatsu Tsubaki)教授。主要研究方向：CO/CO2转化催化材料表面浸润性设计控制、多相催化材料原位表征(包括in situ XRD, in situ Raman)。承担国家、省部级课题6项；2018年获人力资源社会保障部高层次留学人才回国资助项目，2019年入选中科院“西部之光”人才培养计划、宁夏“青年科技人才托举工程”人才项目；在Applied Catalysis B: Environmental, Chinese Journal of Catalysis, Catalysis Science & Technology, 《燃料化学学报（中英文）》等期刊发表论文80余篇，获宁夏科技进步奖1项、宁夏自然科学优秀论文奖3项；兼任《燃料化学学报（中英文）》学术编辑。
https://www.researchgate.net/profile/Xinhua-Gao
课题组简介
宁夏大学“煤基应用催化”科技创新团队由赵天生教授担任学术带头人，长期致力于CO/CO2催化转化研究，近年来，在环境友好多相催化剂设计、催化剂原位研究方面取得了系列基础研究成果。
引用信息
何富贵, 张曈, 梁洁, 李海鹏, 何育荣, 高新华, 张建利, 赵天生. DFT计算在铁基催化剂费托合成反应研究中的应用[J]. 燃料化学学报（中英文）. doi: 10.1016/S1872-5813(23)60366-4
HE Fu-gui, ZHANG Tong, LIANG Jie, LI Hai-peng, HE Yu-rong, GAO Xin-hua, ZHANG Jian-li, ZHAO Tian-sheng. The application of DFT calculation in the study of iron-based catalyst Fischer-Tropsch synthesis reaction[J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology. doi: 10.1016/S1872-5813(23)60366-4
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