【仪表网 研发快讯】 借助绿色氢气将二氧化碳(CO2)转化为乙醇、航空煤油等可持续燃料，不仅可以缓解对化石资源的过度依赖、保障国家能源安全，亦有助于我国双碳目标的实现。乙醇是化工基础原料及高能量密度的清洁燃料，被广泛应用于日常生活与化工生产过程中，其还可通过醇喷技术路线制备可持续航空燃料。因而，开发绿色乙醇合成技术还可应对未来碳边境调节机制与可持续航空燃料的强劲需求。然而，相关乙醇合成催化剂的研发仍面临诸多挑战。开发高性能、高原子利用率的新型催化体系，不仅是CO2加氢制乙醇技术的关键，更是航空煤油等高碳产物合成催化剂研发的重要基石。
前期，中国科学院上海高等研究院(以下简称“上海高研院”)绿色碳科学团队通过铁锌催化体系的物相调控国际上首次实现从CO2转化制甲醇到乙醇、丙醇等多碳醇的选择性合成(Chem 2024, 10, 2245)。此外，团队还通过调控二氧化钛晶相组成，在RhFeOx/P25催化剂上获得了优异的CO2转化制乙醇选择性和乙醇产率，并阐明该催化剂上的构效关系与反应机理(ACS Catalysis 2024, 14, 17582)。为了进一步提高乙醇产率，需要设计兼具高原子利用率和多活性位的新型催化剂。
近期，研究团队创制了具有单团簇结构的RhSC/CN催化剂，克服了纳米颗粒催化剂上活性金属原子利用率较低以及单原子催化剂上反应效率不高等问题，有效提升了CO2加氢制乙醇的选择性和乙醇产率。研究发现，该催化剂上活性金属主要以单团簇形式存在，具有近原子级分散度和对反应物分子较强的吸附活化能力。反应条件经过优化后，该催化剂上展现出了最高的乙醇选择性和乙醇产率，分别为95.3%和17.5 mmol/gcat/h，其上转换频率TOF值高达595.2 h⁻1。原位红外表征证实，该催化剂上特有的单团簇结构能有效促进碳碳偶联反应和关键中间体生成。理论计算阐明了催化剂单团簇活性位上CH3*和CO*反应中间体进行碳碳偶联具有最低的反应能垒，并揭示了乙醇生成的最优反应路径。该工作为同时促进CO2转化和乙醇选择性生成的单团簇催化剂的设计提供了新的见解，为实现高效CO2加氢制绿色乙醇提供了一条有应用前景的途径。
图1 催化剂制备过程示意图、HAADF-STEM图与XAS表征
图2 催化剂CO2加氢反应性能、构效关系和反应机理研究
相关工作以“Construction of Single-Cluster Rhodium Catalyst for Efficient CO2 Hydrogenation to Ethanol”为题发表在《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition, 2025, e202516545)上，并被选为“Hot Paper”。论文的第一作者为王浩副研究员，共同一作为上海高研院/中国科学院大学博士毕业生龚琛凡、博士生辛欣与李圣刚研究员，通讯作者为高鹏研究员。同步辐射XAS表征通过与上海高研院光源科学中心李炯研究员在BL11B线站开展合作研究完成。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青年交叉团队、上海市优秀学术带头人计划、上海市自然科学基金与中国科学院战略先导专项的资助。
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