中國科學家變廢為寶：二氧化碳也能制造清潔燃料？

在全球氣候變化日益嚴峻的當下，如何將大氣中過剩的二氧化碳轉化為有用的化學品和燃料，已成為科學界孜孜以求的目標。近日，中國科學院上海高等研究院的科研團隊在這一領域取得重要突破，他們創制的銠單團簇催化劑在二氧化碳加氫制乙醇反應中展現出卓越性能。這項研究不僅為二氧化碳的高效利用提供了新途徑，更為催化劑設計開辟了全新思路。

從溫室氣體到清潔燃料——化學轉化的詩意

二氧化碳，這個曾被視為工業廢氣的分子，正在科學家的手中經歷一場華麗的蛻變。借助綠色氫氣的催化作用，它可以轉化為乙醇、航空煤油等可持續燃料，實現從溫室氣體到清潔能源的跨越。乙醇作為化工基礎原料和高能量密度的清潔燃料，廣泛應用于日常生活和化工生產過程中。更值得關注的是，通過醇制航空燃料技術，乙醇還可進一步轉化為可持續航空燃料，為航空業的綠色轉型提供關鍵路徑。

然而，這一看似美好的愿景在實踐中卻面臨重重挑戰。二氧化碳是一個極其穩定的分子，要將其活化并轉化為乙醇這樣的多碳醇，需要經歷復雜的碳碳偶聯過程。這就像要在分子的世界里完成一場精密的外科手術，既要打破二氧化碳中牢固的碳氧雙鍵，又要將碳原子精準地連接在一起，同時還要抑制其他副反應的發生。傳統的催化劑往往難以在二氧化碳活化和碳碳偶聯之間取得理想的平衡，要么活性不足，要么選擇性不高，這成為制約二氧化碳制乙醇技術發展的瓶頸。

中國科學院上海高等研究院的研究團隊正是在這樣的背景下展開探索。他們深知，要突破這一瓶頸，關鍵在于設計出結構更加精巧、功能更加優化的催化劑。經過前期的系統研究，團隊已經通過鐵鋅催化體系的物相調控，實現了從二氧化碳轉化制甲醇到乙醇、丙醇等多碳醇的選擇性合成。同時，他們還通過調控二氧化鈦晶相組成，在銠鐵氧化物催化劑上獲得了優異的二氧化碳轉化制乙醇選擇性和產率。這些工作為他們后續的突破奠定了堅實基礎。

單原子、納米顆粒，還是單團簇？——催化劑結構的精妙平衡

在催化劑的研究中，活性金屬的存在形式對催化性能有著決定性的影響。近年來，單原子催化劑因其接近百分之百的金屬原子利用率而備受關注，被認為是催化劑研究的前沿方向。然而，單原子催化劑也有其固有的局限性——由于活性位點僅為孤立的金屬原子，它在需要多個相鄰活性位點協同作用的復雜反應中往往表現欠佳。

另一個極端是傳統的納米顆粒催化劑。這類催化劑中的金屬原子聚集成較大的顆粒，雖然可以提供相鄰的多個活性位點，但大部分金屬原子被埋藏在顆粒內部，無法參與催化反應，導致金屬利用率較低。更重要的是，納米顆粒表面的活性位點環境復雜多樣，難以實現對反應的精準調控。

研究團隊創新性地提出了單團簇催化劑的概念，試圖在單原子和納米顆粒之間找到完美的平衡點。所謂單團簇，就是由幾個金屬原子組成的微小簇團，它們保持著近原子級的分散度，既能像單原子催化劑那樣實現高效的原子利用，又能像納米顆粒那樣提供相鄰的多個活性位點。這種精巧的結構設計，為解決二氧化碳制乙醇的難題帶來了曙光。

為了制備這種獨特的單團簇催化劑，研究團隊采用了“冷凍干燥-熱聚合”的策略。他們首先將銠前驅體與尿素混合，通過冷凍干燥處理抑制銠離子的遷移，促進其與尿素基團的自組裝。隨后在氮氣氛圍下進行熱處理，最后在氫氣中還原，得到了銠單團簇負載在氮化碳載體上的催化劑。通過精密的X射線吸收光譜分析，他們確認催化劑中銠的平均配位數為2.06，這意味著每個銠團簇平均由約4個銠原子組成，實現了理想的單團簇結構。

銠單團簇催化劑的制備及其形貌表征

（圖片來源：參考文獻1）

95.3%的選擇性背后——銠單團簇的獨特魔力

當研究團隊將這種銠單團簇催化劑應用于二氧化碳加氫制乙醇反應時，它展現出了令人驚嘆的催化性能。在240攝氏度、5.0兆帕、氫氣與二氧化碳體積比為3的優化反應條件下，該催化劑的乙醇選擇性達到了95.3%，乙醇產率為17.5毫摩爾每克催化劑每小時，銠的轉換頻率高達595.2每小時。這些數據不僅刷新了銠基催化劑的性能記錄，更超越了此前文獻報道的絕大多數催化劑體系。

為什么單團簇結構能夠展現出如此優異的性能？研究團隊通過一系列精密表征和理論計算揭示了其中的奧秘。首先，單團簇催化劑同時具有銠氮位點和銠銠位點兩種不同類型的活性中心。銠氮位點帶有部分正電荷，能夠有效吸附和活化二氧化碳分子；而銠銠位點則主要由金屬銠原子組成，擅長催化氫氣的解離和碳碳鍵的形成。這種雙位點協同作用，使得催化劑既能高效活化二氧化碳，又能促進碳碳偶聯反應，實現了活性和選擇性的完美統一。

銠是常用于催化用途的貴金屬，以上是各種形態的銠金屬單質。

（圖片來源：維基百科）

從實驗室到應用——綠色乙醇的未來之路

研究團隊對催化劑的穩定性進行了嚴格測試。他們在反應釜中連續進行了10個循環的反應，總時長達50小時，催化劑累計產生了556毫摩爾每克催化劑的乙醇和65毫摩爾每克催化劑的甲醇。反應后的催化劑經過X射線衍射、X射線光電子能譜和X射線吸收光譜表征，其結構和化學狀態僅發生輕微變化，展現出良好的穩定性。研究團隊還在連續流動固定床反應器中評價了催化劑的長期穩定性，結果顯示液相產物中乙醇選擇性保持在70%以上，進一步驗證了該催化劑在實際應用中的潛力。

這項研究的意義不僅在于創造了一個高性能的催化劑，更在于提出了單團簇催化劑設計的新范式。研究團隊指出，在催化劑設計中需要權衡原子分散度和活性位點集合結構之間的關系。單原子催化劑追求極致的原子分散，但可能犧牲了多位點協同效應；而傳統納米顆粒雖然提供了豐富的相鄰位點，卻損失了原子利用效率。單團簇催化劑則在兩者之間找到了平衡點，實現了催化效率和選擇性的同時提升。

這一策略不僅適用于二氧化碳制乙醇反應，還可能拓展到其他需要多步反應和多位點協同的催化過程。例如，在費托合成、甲醇制烯烴、氮氣還原等重要工業催化反應中，單團簇催化劑都可能展現出獨特的優勢。研究團隊的工作為催化劑的精準設計提供了新的思路，推動了單原子催化領域向更高層次發展。

從更廣闊的視野來看，這項研究也為“雙碳”目標的實現提供了新的技術路徑。通過可再生能源電解水制備綠色氫氣，再利用單團簇催化劑將二氧化碳轉化為乙醇等液體燃料，可以構建起一個清潔的碳循環體系。這些液體燃料不僅可以用作清潔的運輸燃料，還可以作為化工原料，替代傳統的石油基產品。隨著技術的不斷進步和成本的逐步降低，基于二氧化碳轉化的綠色化工產業鏈有望在未來成為現實。

參考文獻：

【1】H. Wang et al., “Construction of Single-Cluster Rhodium Catalyst for Efficient CO2 Hydrogenation to Ethanol.,” Angewandte Chemie (International ed. in English), Sep. 2025, doi: 10.1002/anie.202516545.

出品：科普中國

作者：吳剛（中國科學院深圳先進技術研究院）

監制：中國科普博覽