χ-Fe_5C_2：结构，合成与催化性质调控

铁碳化物,特别是χ-Fe_5C_2,因在多个不同领域的应用长期以来受到研究者的密切关注。事实上,χ-Fe_5C_2已经被认定为铁基费托合成催化剂的活性相。除了作为催化剂外,χ-Fe_5C_2在电化学、磁成像和治疗等方面也有应用价值。自发现以来,人们对χ-Fe_5C_2的结构、稳定性、催化性能等物理化学性质开展了研究。χ-Fe_5C_2的C2/c结构在上世纪60年代初次得到解析,但是受限于样品中常常混合其他氧化铁和碳化铁,在结构方面还存在争议。研究者仍致力于结合先进表征技术和理论方法,利用高纯度的样品来建立更加准确的模型。作为一种亚稳态结构,传统合成方法很难制备高纯度的χ-Fe_5C_2。经过对合成方法的不断探索,物相单一和尺寸形貌可控的合成已经实现。多种铁和碳的前驱体可以用来合成χ-Fe_5C_2,而固-固、固-气和固-液相的碳化过程均能够用来制备不同粒度和形貌的χ-Fe_5C_2。合成方法方面的成果来了对χ-Fe_5C_2物相形成机理的新认识。利用原位表征方法,研究者已经揭示了气固相和液固相制备过程中物相形成的一些细节。无定形的Fe-C复合物的形成与晶化有可能是关键步骤。在新的制备方法基础上,出现了多种调控χ-Fe_5C_2催化活性的新手段。低钴含量的有钴纳米粒子和χ-Fe_5C_2组成的复合体具有非常高的低温费托合成活性。通过第二组分的修饰后可以使χ-Fe_5C_2突破传统的费托合成反应的局限,成为制备低碳烯烃、长链α烯烃、芳烃和含氧化物的新型催化剂。在这篇综述中,我们将回顾自上世纪中期以来对χ-Fe_5C_2物相的研究成果,聚焦于对结构解析,制备方法,生成机制以及在催化性能调控等方面的进展。我们总结了一系列用于制备χ-Fe_5C_2的方法以及控制催化性质的路径。合成方法的突破是更好认识χ-Fe_5C_2物理化学的关键。