稳定Fe的氧化态对于合理设计铁基催化剂具有重要意义。研究发现，掺氮碳材料已被发现是铁基催化剂的合适载体。Fe颗粒与掺杂N位之间的相互作用有助于Fe颗粒的锚定和分散。最近的研究，采用K边XANES分析了N掺杂石墨烯担载的铁基催化剂中铁的峰强度，与只将铁引入碳骨架的样品相比，峰强度有所降低。根据这些观察结果，研究人员认为N能够增加Fe粒子的电子密度。但是，这种分析的前提是XANES光谱是Fe氧化态的指纹图谱，然而，最近的研究表明，XANES光谱敏感地变化也跟配合物的配体环境有关。
有鉴于此，厦门大学王帅教授，华盛顿州立大学Yong Wang报道了制备了不同N掺杂量的掺氮碳复合材料(NC)，并将其作为Fe颗粒的载体。研究发现，Fe-N相互作用对电子态的调节可以控制适度N掺杂量的Fe催化剂的氧化态，使改性后的催化剂在间甲酚(一种代表性的木质素衍生物)加氢脱氧过程中保持高度稳定。
文章要点
1）研究发现，N掺杂的碳质材料能够通过Fe和N之间的电子相互作用有效地控制Fe的氧化态。透射电子显微镜和粉末X射线衍射的结构表征表明，这种相互作用导致Fe颗粒尺寸随着N掺杂含量的增加而减小，N2O和水蒸气预处理的H2程序还原测量研究表明，在N掺杂中心存在的情况下，这种相互作用会导致Fe颗粒的氧亲和力减弱。
2）研究发现，在木质素衍生的间甲酚加氢脱氧生成有价值的芳香族产物的过程中，Fe/NC催化剂的氧亲和力较弱，与Fe/NC催化剂良好的长期稳定性有关，而Fe/C催化剂则有明显的氧化失活现象。通过对所有N掺杂样品的表面氮组成的研究表明，其失活速率常数与固定在碳结构中的氮含量密切相关，这明确地表明，在碳骨架中嵌入氮(主要包括吡啶和吡咯的氮官能团)对稳定铁起着关键作用，而氨基氮在加氢脱氧反应中容易受到损耗。
3）研究人员通过对嵌入到石墨烯中的Fe-N络合物的电子分析，进一步表明，表明相对于裸碳或氨基氮，骨架氮位置可以保护Fe免受氧化。
这些新发现将为合理设计廉价、可调的氮掺杂碳载体铁基催化剂提供了依据。
Yanling Yang, et al, Controlling the Oxidation State of Fe-based Catalysts Through Nitrogen Doping Toward the Hydrodeoxygenation of m-Cresol,
ACS Catal.,2020
DOI: 10.1021/acscatal.0c00626
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.0c00626
