中南大學劉敏教授最新Nature Communications: SO?介導質子供給實現高效穩定催化水解全氟化碳

第一作者：張行

通訊作者：劉敏，Emiliano Cortés

通訊單位：中南大學，德國慕尼黑大學

論文DOI：10.1038/s41467-026-68386-4

文末附課題組招聘

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近日，中南大學劉敏教授研究團隊圍繞CF4熱催化水解“低溫易失活”的核心難題突破性研究成果。研究團隊創新性地提出利用共存SO2在反應過程中原位構建質子供給位點，通過生成Al–HSO4與Ga–HS等物種，顯著強化水解離與質子生成，降低C–F斷裂能壘并抑制F毒化，實現550 °C條件下CF4完全分解且穩定運行時間超過2500 h。該工作為復雜工況含氟溫室氣體的低溫高效治理提供了可推廣的新策略。相關成果以“Efficient and stable catalytic hydrolysis of perfluorocarbon enabled by SO2-mediated proton supply”為題，于2026年1月14日發表于《Nature Communications》雜志。

背景介紹

CF4等短鏈全氟碳化物是鋁電解、半導體等行業排放的重要含氟溫室氣體，具有極高的化學惰性與溫室效應潛勢，其末端治理對實現深度減排與過程綠色化至關重要。目前工程上常采用高溫焚燒/等離子體等手段，但普遍存在能耗高、設備易被腐蝕、副產物控制困難等問題。熱催化水解法以H2O為反應物、將CF4轉化為HF與CO2，被認為更具規?；瘧脻摿?；然而該水解體系普遍面臨“雙重瓶頸”：一方面表面–OH/質子供給不足，使C–F斷鍵動力學受限；另一方面含氟中間體易造成表面活性位點F毒化，引發快速失活，導致催化劑壽命短。在此背景下，開發能夠在較低溫度下同時實現“高效C–F活化”與“抗F毒化再生”的催化策略成為關鍵。尤其是在真實尾氣中常伴隨SO2等毒化物種，這些組分既可能加劇競爭反應與催化劑失活，也可能被轉化為調控表面質子/–OH供給與活性位再生的“過程介質”。因此，如何在復雜工況下實現高效水活化、質子供給與脫氟再生的耦合調控，是推動CF4催化水解走向低能耗、長壽命應用的重大挑戰。

本文亮點

1）提出“SO2驅動質子供給/活性位再生”策略：在CF4熱催化水解過程中引入SO2，原位構建Al–HSO4與Ga–HS等供質子位點，實現對水解離與質子生成的持續強化，從源頭突破低溫C–F斷裂動力學瓶頸。

2）多證據鏈鎖定“SO2驅動原位供質子位點”的形成與作用：原位DRIFTS直接捕捉到–HSO4與–HS特征信號，證明SO2在反應中原位生成供質子位點并驅動水解離；結合XPS、原位拉曼等結果表明該通道可降低表面F覆蓋、促進活性位再生，DFT和cAIMD模擬進一步支撐其促進C–F活化和降低脫氟能壘的雙重功能。

3）實現低溫高效與長壽命兼顧：催化劑在550 °C下可實現CF4完全分解，并在苛刻工況下保持超長時間穩定運行（>2500 h），為復雜尾氣中含氟溫室氣體的低能耗治理提供可推廣的普適方案。

圖文解析

圖1｜催化性能與穩定性表征。

性能曲線顯示：SO2顯著提升CF4分解能力，隨SO2濃度增加CF4分解率顯著提升；在5000 ppm SO2條件下，100%CF4分解可在>2500 h內保持穩定。動力學上，SO2使CF4水解表觀活化能由137.2降至114.4 kJ·mol-1；同時，CF4也顯著促進SO2轉化，其表觀活化能由23.5降至5.3 kJ·mol-1。

圖2｜雙布朗斯特酸位點的原位形成。

原位DRIFTS表征顯示在CF4+SO2共進料下出現–HSO4（1000–1250 cm-1）與–HS（688 cm-1）特征信號，證實反應中原位生成供質子位點；XPS S 2p進一步揭示了Ga–HS（≈161.6 eV）與Al–HSO4（≈169.6 eV）位點，并定量顯示其比例穩定在~75%（Ga–HS）/~25%（Al–HSO4），且總硫含量穩定在~3%左右，表明表面S物種不會過渡累積。同時，CF4+SO2協同反應中AlFx信號顯著減弱、Oads占比最高，表明表面F毒化被顯著抑制。

圖3｜Al–HSO4位點促進C–F鍵活化。

SO2參與協同反應后，原位生成的Al–HSO4質子供給位點顯著強化了供質子和CF4吸附活化。原位DRIFTS定量測試表明反應過程中的H+生成速率顯著提升約10倍、H2O解離速率顯著提升約6倍；同時結合DFT計算結果表明，CF4在θ-Al2O3–HSO4上的吸附能由?0.15 eV（–OH）增強至?0.50 eV，證明了Al–HSO4通過強化質子供給與增強CF4吸附能力，從而顯著促進C–F鍵活化。

圖4｜Ga–HS位點促進活性位點再生。

cAIMD模擬結果顯示Ga–HS供質子位點可將活性位脫氟能壘從2.34 eV（Ga–OH）大幅降至0.32 eV（Ga–HS），且Ga–HS結構自身解離H2O再生能壘僅為0.98 eV；結合原位DRIFTS和拉曼定量實驗表明，Ga–OH僅實現＜50%活性位再生，而Ga–HS可實現完全活性位再生，從機理上證實了Ga–HS質子供應位點對抗F毒化與長壽命運行的關鍵作用。

圖5｜CF4和SO2協同反應機理示意圖。

反應機理歸納為“SO2驅動供質子—斷鍵—再生”的閉環：SO2在水的參與下被表面活化生成HSO3-并進一步發生歧化，原位構建Al–HSO4與Ga–HS兩類供質子位點；其中Al–HSO4增強CF4吸附并促進C–F活化，Ga–HS加速HF脫除與活性位再生，最終實現低溫條件下的高效穩定CF4水解和SO2氧化協同處理。

總結與展望

本研究提出并驗證了一種面向復雜工況的“過程介質驅動質子供給”策略，用以突破CF4熱催化水解在低溫區受限于質子不足與F毒化的雙重瓶頸。通過在反應體系中引入SO2，原位構建穩定的供質子物種（如Al–HSO4、Ga–HS），實現對水解離與質子生成的持續強化，并通過原位譜學與理論計算等多證據鏈闡明其促進C–F斷裂與脫氟再生的關鍵作用，從而在較低溫度下獲得高活性與超長壽命的協同提升。該工作為含氟溫室氣體的低能耗治理提供了可遷移的催化設計范式，將“共存污染物/反應介質”轉化為可控的活性位調控因子。

文獻信息

Hang Zhang, Tao Luo, Yingkang Chen, Xiaojian Wang, Edoardo Mariani, Kang Liu, Junwei Fu, Changxu Liu, Hui Liu, Zhang Lin, Liyuan Chai, Michelle L. Coote, Emiliano Cortés*, and Min Liu*, Efficient and stable catalytic hydrolysis of perfluorocarbon enabled by SO2-mediated proton supply, Nature Communications, 2026, DOI: 10.1038/s41467-026-68386-4.

作者介紹

劉敏，中南大學三級教授，博士生導師，科睿唯安高被引學者，入選國家引進海外杰出人才，國家重點研發計劃國際合作項目首席科學家，湖南省領軍人才，湖南省杰出青年，湖南省“青年百人計劃”，湖南省科技創新平臺與人才計劃，長沙市國家級領軍人才，粉末冶金國家重點實驗室、超微結構與超快過程湖南省重點實驗室、化學電源湖南省重點實驗室成員。湖南師范大學理學學士、碩士，中科院電工所工學博士。2010-2013年日本東京大學Kazuhito Hashimoto（橋本和仁）教授研究室特聘研究員、2013-2015年東京大學Kazunari Domen（堂免一成）教授研究室主任研究員，2015-2017年加拿大多倫多大學Ted Sargent組博士后，之后加入中南大學。近年來在Nature, Science, Nature Catalysis, Nature Nanotechnology, Nature Photonics, Nature Chemistry, Nature Communications, Science Advances, Joule等國際權威學術期刊上發表論文200余篇，論文他引>32000次，H-因子為85, 相關研究成果多次被Science Daily, Science News, Phys.org, 福布斯等新聞媒體報道。

課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/min_liu

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