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费托(F-T)合成是一种将煤、天然气或生物质等含碳资源经合成气(CO+H2)转化为洁净液体燃料和其它化学品的工业技术。研究和开发高效催化剂并将其合理使用一直是F-T合成领域的一个重要课题。铁基催化剂因其价格低廉、具有较高的F-T合成反应活性及水煤气变换反应(WGS)活性，且可用于高效的浆态床反应器等特点，而特别适用于低氢碳比的煤基合成气转化。
由于铁物相结构在F-T合成过程中复杂的变化，对铁基催化剂微观结构和F-T合成反应性能进行调控变得尤为困难。近年来，沉淀型Fe-Mn催化剂因具有良好的低碳烯烃与中间馏分油选择性正日益受到关注。本论文选取沉淀型Fe-Mn模型催化剂为主要研究对象，运用低温N2物理吸附、X-射线衍射(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)、Mossbauer谱(MES)、程序升温脱附(TPD)、程序升温氢化(TPH)、拉曼光谱(LRS)、红外光谱(DRIFT)和高分辨透射电镜(HRTEM)等表征手段对催化剂的织构性质、表层和体相结构的还原和碳化行为、表面含碳物种的生成行为以及不同铁物相结构的H2和CO化学吸附行为进行了多方位的研究。对催化剂在不同预处理还原条件下(还原压力、还原空速、还原时间、还原气氛等)的F-T反应活性、产物选择性及运行稳定性进行了系统的考察，并结合表征结果，将催化剂微观结构和反应性能进行了细致的关联，为Fe-Mn催化剂物相结构和反应性能调控以及化学磨损机理提供了基础依据。获得的主要研究结果如下：
系统考察了不同还原压力(0.10～1.50 MPa)对催化剂织构性质、表层和体相结构以及F-T合成反应性能的影响。研究结果表明还原压力的升高促使催化剂比表面积降低和平均孔径增大，有利于Fe3O4的生成，抑制了铁氧化物的碳化，并促进歧化反应的进行，导致了表面沉积碳物种的显著增加。随着还原压力的升高，催化剂F-T反应活性逐渐下降，烃产物分布向轻质烃方向偏移，烯烃选择性逐渐减少而有机含氧化物选择性逐渐增大。
在指定还原压力下考察了不同还原空速(1000～4000 h-1)对催化剂织构性质、物相结构以及F-T合成反应性能的影响。研究表明还原空速的增大有利于催化剂比表面积降低和平均孔径增大，加速了生成的H2O和CO2等氧化气氛的移出，促进了催化剂的还原和碳化反应。随着还原空速的增大，催化剂反应活性逐渐增加，且烃产物分布缓慢向重质烃方向偏移。
系统考察了催化剂织构性质、表层和体相结构、表面沉积碳物种随还原时间延长(0～72 h)的转变行为。结果表明，随着还原时间的延长，催化剂比表面积首先降低，然后达到稳定状态，平均孔径一直缓慢增加，α-Fe2O3先还原为Fe3O4，体相中Fe3O4逐步达到稳定，而表层中Fe3O4则逐渐转化为铁碳化物(FexC)；与此同时，表面逐渐有沉积碳物种的生成。随着表层FexC含量的逐渐增加，催化剂F-T反应活性逐渐增大；当不同铁物相结构达到平衡状态时，F-T反应活性保持稳定。还原时间的延长有利于烃产物分布向轻质烃方向偏移。
研究了不同还原气氛(H2、CO、H2/CO=4、1、0.25)对催化剂微观结构和F-T合成反应性能的影响。研究结果表明，不同气氛还原后催化剂比表面积下降趋势相近。H2还原后表层和体相结构均还原为Fe3O4，在反应过程中Fe3O4缓慢进行碳化反应；CO还原后表层和体相结构被大量还原为FexC，在反应初期FexC部分发生了氧化反应，随后铁碳化物和铁氧化物达到平衡；合成气还原后催化剂被还原为Fe3O4和FeC等混合物相，合成气H2/CO比的降低促进了Fe3O4的碳化反应。CO和合成气还原后催化剂表面均有沉积碳物种的生成，且CO分压的增大有利于沉积碳含量的增加。在F-T反应过程中，H2还原的催化剂反应初活性最低，随着铁氧化物的逐渐碳化，反应活性逐渐增加；合成气还原的催化剂活性适中，且合成气H2/CO比的降低促进了F-T反应活性。CO还原的催化剂活性最高，在反应过程中无失活现象发生。相比于CO和合成气还原的催化剂，H2还原的催化剂产生了更多的CH4和轻质烃产物。
在上述工作的基础上，对催化剂的还原和碳化行为、含碳物种的生成行为以及不同铁物相结构的H2和CO化学吸附行为进行了系统的研究。Mossbauer谱和XPS研究表明在H2气氛下表层和体相结构均首先从α-Fe2O3还原为Fe3O4，然后逐渐还原为FeO，最终还原为α-Fe，但表层结构的还原程度低于体相结构；在CO气氛下表层和体相结构也均首先从α-Fe2O3还原为Fe3O4，然后逐渐碳化为FexC。H2-TPD和CO-TPD结果表明，不同还原态铁物相在吸附CO时均发生了碳化反应，且碳化能力强弱为：α-Fe>FeO>Fe3O4。DRIFT研究结果显示，α-Fe2O3和Fe3O4表面吸附CO后均生成了碳酸盐物种：随着铁氧化物的逐渐碳化，催化剂表面逐渐有碳氢化合物物种生成，且当表层物相完全转化为FexC时，表面几乎全部生成碳氢化合物物种。TPH和HRTEM结果表明在α-Fe2O3向Fe3O4还原的同时，催化剂表面逐渐有单原子和/或聚合态(2-3原子)含碳物种(无定型碳物种)的生成；随着Fe3O4的逐渐碳化，表面无定型碳物种逐渐增多；在一定碳化时间后表层逐渐有石墨碳物种的生成，且石墨碳物种大部分覆盖在铁碳化物表面。