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Mobility and versatility of the liquid bismuth promoter in the working iron catalysts for light olefin synthesis from syngas

Authors :
Mykhailo Vorokhta
Alan J. Barrios
Mounib Bahri
Bang Gu
Andrei Y. Khodakov
Ovidiu Ersen
Eric Marceau
Robert Wojcieszak
Vitaly V. Ordomsky
Deizi V. Peron
Dipanjan Banerjee
Břetislav Šmíd
Mirella Virginie
Unité de Catalyse et Chimie du Solide - UMR 8181 (UCCS)
Centrale Lille Institut (CLIL)-Université d'Artois (UA)-Centrale Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Lille
Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS)
Université Louis Pasteur - Strasbourg I-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Laboratoire de photonique et de nanostructures (LPN)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université de Strasbourg (UNISTRA)-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE)
Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)
Institute of Resource Ecology [Dresden]
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
Laboratoire de Réactivité de Surface (LRS)
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université d'Artois (UA)-Centrale Lille-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et Nanosciences Grand-Est (MNGE)
Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique
Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Charles University [Prague] (CU)
European Synchroton Radiation Facility [Grenoble] (ESRF)
ANR-16-CE06-0013,NANO4FuT,Synthèse des carburants alternatifs et des molécules plateforme sur nanoréacteurs(2016)
Université de Lille
CNRS
Centrale Lille
ENSCL
Univ. Artois
Unité de Catalyse et Chimie du Solide - UMR 8181 [UCCS]
Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg [IPCMS]
Université d'Artois (UA)-Centrale Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Lille
Source :
Chemical Science, Chemical Science, The Royal Society of Chemistry, 2020, 11, pp.6167-6182. ⟨10.1039/D0SC01600D⟩, Chemical Science, The Royal Society of Chemistry, 2020, 11 (24), pp.6167-6182, Chemical Science, 2020, 11 (24), pp.6167-6182. ⟨10.1039/D0SC01600D⟩, HAL, 'Chemical Science ', vol: 11, pages: 6167-6182 (2020)
Publication Year :
2020
Publisher :
Royal Society of Chemistry (RSC), 2020.

Abstract

Localization and migration of highly mobile and extremely efficient bismuth promoter in iron Fischer–Tropsch catalysts were elucidated using in situ methods.<br />Liquid metals are a new emerging and rapidly growing class of materials and can be considered as efficient promoters and active phases for heterogeneous catalysts for sustainable processes. Because of low cost, high selectivity and flexibility, iron-based catalysts are the catalysts of choice for light olefin synthesis via Fischer–Tropsch reaction. Promotion of iron catalysts supported by carbon nanotubes with bismuth, which is liquid under the reaction conditions, results in a several fold increase in the reaction rate and in a much higher light olefin selectivity. In order to elucidate the spectacular enhancement of the catalytic performance, we conducted extensive in-depth characterization of the bismuth-promoted iron catalysts under the reacting gas and reaction temperatures by a combination of cutting-edge in situ techniques: in situ scanning transmission electron microscopy, near-atmospheric pressure X-ray photoelectron spectroscopy and in situ X-ray adsorption near edge structure. In situ scanning transmission electron microscopy conducted under atmospheric pressure of carbon monoxide at the temperature of catalyst activation showed iron sintering proceeding via the particle migration and coalescence mechanism. Catalyst activation in carbon monoxide and in syngas leads to liquid bismuth metallic species, which readily migrate over the catalyst surface with the formation of larger spherical bismuth droplets and iron–bismuth core–shell structures. In the working catalysts, during Fischer–Tropsch synthesis, metallic bismuth located at the interface of iron species undergoes continuous oxidation and reduction cycles, which facilitate carbon monoxide dissociation and result in the substantial increase in the reaction rate.

Details

ISSN :
20416539 and 20416520
Volume :
11
Database :
OpenAIRE
Journal :
Chemical Science
Accession number :
edsair.doi.dedup.....87375b305fd78e1dcceecc07714d8e1a
Full Text :
https://doi.org/10.1039/d0sc01600d