加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關鍵核心技術，努力搶占科技制高點，為把我國建設成為世界科技強國作出新的更大的貢獻。
——習近平總書記在致中國科學院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實現(xiàn)科學技術跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設國際一流科研機構(gòu)。
——中國科學院辦院方針
——習近平總書記在致中國科學院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國科學院辦院方針
借助綠色氫氣將二氧化碳（CO2）轉(zhuǎn)化為乙醇、航空煤油等可持續(xù)燃料，不僅可以緩解對化石資源的過度依賴、保障國家能源安全，亦有助于我國雙碳目標的實現(xiàn)。乙醇是化工基礎原料及高能量密度的清潔燃料，被廣泛應用于日常生活與化工生產(chǎn)過程中，其還可通過醇噴技術路線制備可持續(xù)航空燃料。因而，開發(fā)綠色乙醇合成技術還可應對未來碳邊境調(diào)節(jié)機制與可持續(xù)航空燃料的強勁需求。然而，相關乙醇合成催化劑的研發(fā)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。開發(fā)高性能、高原子利用率的新型催化體系，不僅是CO2加氫制乙醇技術的關鍵，更是航空煤油等高碳產(chǎn)物合成催化劑研發(fā)的重要基石。
前期，中國科學院上海高等研究院（以下簡稱“上海高研院”）綠色碳科學團隊通過鐵鋅催化體系的物相調(diào)控國際上首次實現(xiàn)從CO2轉(zhuǎn)化制甲醇到乙醇、丙醇等多碳醇的選擇性合成（Chem 2024, 10, 2245）。此外，團隊還通過調(diào)控二氧化鈦晶相組成，在RhFeOx/P25催化劑上獲得了優(yōu)異的CO2轉(zhuǎn)化制乙醇選擇性和乙醇產(chǎn)率，并闡明該催化劑上的構(gòu)效關系與反應機理（ACS Catalysis 2024, 14, 17582）。為了進一步提高乙醇產(chǎn)率，需要設計兼具高原子利用率和多活性位的新型催化劑。
近期，研究團隊創(chuàng)制了具有單團簇結(jié)構(gòu)的RhSC/CN催化劑，克服了納米顆粒催化劑上活性金屬原子利用率較低以及單原子催化劑上反應效率不高等問題，有效提升了CO2加氫制乙醇的選擇性和乙醇產(chǎn)率。研究發(fā)現(xiàn)，該催化劑上活性金屬主要以單團簇形式存在，具有近原子級分散度和對反應物分子較強的吸附活化能力。反應條件經(jīng)過優(yōu)化后，該催化劑上展現(xiàn)出了最高的乙醇選擇性和乙醇產(chǎn)率，分別為95.3%和17.5 mmol/gcat/h，其上轉(zhuǎn)換頻率TOF值高達595.2 h?1。原位紅外表征證實，該催化劑上特有的單團簇結(jié)構(gòu)能有效促進碳碳偶聯(lián)反應和關鍵中間體生成。理論計算闡明了催化劑單團簇活性位上CH3*和CO*反應中間體進行碳碳偶聯(lián)具有最低的反應能壘，并揭示了乙醇生成的最優(yōu)反應路徑。該工作為同時促進CO2轉(zhuǎn)化和乙醇選擇性生成的單團簇催化劑的設計提供了新的見解，為實現(xiàn)高效CO2加氫制綠色乙醇提供了一條有應用前景的途徑。
圖1 催化劑制備過程示意圖、HAADF-STEM圖與XAS表征
圖2 催化劑CO2加氫反應性能、構(gòu)效關系和反應機理研究
相關工作以“Construction of Single-Cluster Rhodium Catalyst for Efficient CO2 Hydrogenation to Ethanol”為題發(fā)表在《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition, 2025, e202516545）上，并被選為“Hot Paper”。論文的第一作者為王浩副研究員，共同一作為上海高研院/中國科學院大學博士畢業(yè)生龔琛凡、博士生辛欣與李圣剛研究員，通訊作者為高鵬研究員。同步輻射XAS表征通過與上海高研院光源科學中心李炯研究員在BL11B線站開展合作研究完成。該研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院青年交叉團隊、上海市優(yōu)秀學術帶頭人計劃、上海市自然科學基金與中國科學院戰(zhàn)略先導專項的資助。
