我校李聪明团队与武汉大学定明月团队在PNAS刊发CO2加氢制低碳烯烃的突破性研究进展

近日，我校李聪明教授团队与武汉大学定明月教授团队在CO₂加氢制低碳烯烃方面取得突破性研究进展，研究成果以“Breaking the activity-selectivity trade-off of CO₂ hydrogenation to light olefins”为题发表在国际著名期刊美国科学院院报Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)。其中，化学与化工学院与省部共建煤基能源清洁高效利用国家重点实验室博士生王晓月是论文的第一作者，武汉大学动力与机械学院研究生曾婷为共同第一作者，化学与化工学院与省部共建煤基能源清洁高效利用国家重点实验室李聪明教授，武汉大学动力与机械学院顾向奎教授和定明月教授为本文的共同通讯作者。

CO₂加氢制低碳烯烃为高效利用CO₂以及生产高附加值化学品提供有效策略。CO₂加氢制低碳烯烃主要包括费托合成路线（CO₂-FTO）和甲醇介导路线（CO₂-MTO）。其中，CO₂-FTO路线的低碳烯烃选择性较低（< 58%），而CO₂-MTO路线的CO₂转化率较低（< 25%），即CO₂转化率与低碳烯烃选择性之间存在“跷跷板”效应。然而，由于惰性CO₂分子难活化、C-C键增长过程难控以及C=C键易深度加氢等难点，使得打破“跷跷板”效应，同时获得高的催化活性和高的低碳烯烃选择性非常具有挑战性。因此，如何设计高效催化剂是打破CO₂加氢制低碳烯烃中的活性-选择性“跷跷板”和实现高的低碳烯烃收率的关键所在。

基于吸热的逆水煤气反应（RWGS）具有高温促进CO₂转化以及将惰性CO₂转化为较活泼CO的优势，设计出CO₂先经RWGS反应生成CO，随后CO加氢生成CH₃OH并进一步生成低碳烯烃的新反应路线以及构建高效的多活性位点，有望解决CO₂分子难活化、C-C键增长难控以及C=C键易加氢等难点，最终打破“跷跷板”效应。

鉴于此，李聪明教授团队与定明月教授团队合作设计ZnFeAlO₄/SAPO-34复合催化剂打破了CO₂加氢制低碳烯烃的活性-选择性权衡，该催化剂可同时实现~42%的CO₂转化率和~83%的低碳烯烃选择性，低碳烯烃收率达到~18%，长期稳定性超过450小时。实验和理论计算证明，ZnFeAlO₄尖晶石中缺电子四面体Fe位点和富电子八面体Zn位点分别为CO₂加氢制CO和CO加氢制CH₃OH的活性位点以及SAPO-34分子筛最佳化的Brønsted酸密度保证CH₃OH高选择性生成低碳烯烃，从而开辟了一条新的且高效的CO₂加氢制低碳烯烃途径。

图1. ZnFeAlO₄/SAPO-34复合催化剂催化CO₂加氢制低碳烯烃

图2. ZnFeAlO₄/SAPO-34催化剂与已报道催化剂的反应性能对比

感谢国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、山西省重点研发计划项目、山西省自然科学基金等项目对本工作的支持。近年来，李聪明教授课题组围绕CO₂加氢制化学品领域开展了系统研究，通过设计金属氧化物以及调节分子筛内中间物种种类及分布实现了CO₂高选择性合成目标产物（Appl. Catal. B-Environ. Energy, 2024）；证明了调变ZnO-ZnCr₂O₄界面结构对提高CO₂加氢制低碳烯烃反应性能的有效性（ChemCatChem, 2020）；明确了电子相互作用对调控关键中间体以及影响CO₂加氢制低碳烯烃反应性能之间的内在关系（ACS Catal., 2024）。

论文阅读链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2408297121