編輯總結
將捕獲的二氧化碳（CO?）轉化為燃料和化學原料是一種重要的碳減排替代方案。本綜述了 CO? 加氫的熱催化路線，重點關注甲醇作為燃料和化學原料的合成，以及 CO? 向一氧化碳和烴類的轉化。深入理解活性位點結構與產物選擇性的關系，并開發基于地球豐富元素的長壽命催化劑，將是未來研究的關鍵。——Phil Szuromi
主要內容
催化 CO? 加氫是一條潛在的可持續燃料和化學品合成途徑，但現有催化劑仍需優化。特別是，活性位點的識別、催化劑組分之間的相互作用及其動態行為尚不清晰，而這些基礎研究對于設計更高效、更穩定的催化劑至關重要。 鑒于此，美國杜肯大學Jingyun Ye和法國洛林大學Robert Wojcieszak教授團隊合作在Science期刊上發表了題為“Hydrogenation of CO2 for sustainable fuel and chemical production”的最新綜述論文。由于催化劑的活性主要取決于活性位點（包括金屬、氧化物和碳化物等），本綜述重點討論近年來報道的各種高效 CO? 轉化異相催化劑，涵蓋 CO（CO）、甲醇（CH?OH）、甲烷（CH?）及更高碳數烴類的合成。此外，研究者探討了活性位點結構與催化選擇性之間的關鍵關系，而不受催化劑具體組成的限制。
綜述亮點
(1) 該綜述首次系統總結了CO?加氫轉化的熱催化路線，重點關注甲醇的合成及其進一步轉化為一氧化碳和烴類化合物。研究強調了催化劑活性位點結構與產物選擇性之間的關系，并提出了延長催化劑壽命及優化地球豐產元素催化劑的關鍵方向。(2) 研究通過回顧CO?加氫制甲醇的催化劑發展歷程，指出傳統Cu/Zn/Al?O?（CZA）催化劑存在逆水煤氣變換（RWGS）反應競爭和易燒結失活的問題，導致CO?轉化效率受限。近年來，In?O?基催化劑因其高甲醇選擇性（超過50%）而受到關注，其中Cu/ZnO/MnO/KIT-6催化劑在180°C下表現出較高的甲醇產率。此外，研究比較了不同催化劑在溫度和壓力條件下的選擇性趨勢，發現甲醇催化劑在低溫高壓（<300°C，>3 MPa）條件下表現最佳，而烴類催化劑在高溫低壓（>300°C，<3 MPa）條件下更具優勢。 (3) 研究進一步分析了CO?加氫技術在可持續發展中的潛力。雖然該技術可利用可再生能源（如風能）驅動，實現部分碳減排，但其環境影響受CO?來源和具體轉化工藝的影響較大。尤其是在航空和航運等難以電氣化的領域，CO?加氫制燃料（e-fuels）可能是較優選擇。(4) 展望未來，研究建議開發能夠直接促進CO?轉化為甲醇、同時減少RWGS反應的新型催化劑，并提出通過優化催化劑載體和摻雜穩定元素來緩解燒結失活。此外，Pd-In催化劑雖具有潛力，但成本仍然是一個關鍵問題。要實現真正的碳負排放，需結合直接空氣捕集（DAC）技術，否則凈負排放仍存挑戰。
圖文解讀
圖1. CO2加氫。
結論展望
從CO?合成獲得的燃料，包括含氧化合物和碳氫化合物，被認為是交通運輸部門脫碳的有前景解決方案，尤其適用于航空、航運和長途貨運等難以電氣化的領域。盡管CZA（銅-鋅-鋁催化劑）以及以Fe或Co為基礎的催化劑長期以來是該領域的核心，但它們的局限性已日益顯現。隨著對“關鍵”元素（如Co、Cu和Zn）的需求增加及其供應情況的變化（根據歐洲化學學會EuChemS的評估，Zn的供應風險與In相當，且高于Pd，而Cu和Co的供應風險也在不斷上升），一個關鍵問題隨之而來：研究者是否仍要完全依賴這些研究較為深入的催化劑，還是需要探索替代方案？研究尤其指出了CZA催化劑的缺陷，包括其壽命短和生產難度大。如前文所示（圖1A），僅僅通過對現有催化劑進行改性并不能顯著提高目標產物的產率。因此，催化劑制備的研究應更關注如何延長催化劑的活性壽命，例如提高抗燒結能力，或從工藝角度出發，實現原位再生。以Pd為核心的替代催化劑（如Pd-In）在性能方面展現出良好前景，但其高昂的成本使其難以大規模應用。此外，所有新型催化劑體系在獲得大規模測試數據或至少表現出穩健的可擴展性關系之前，都會面臨市場接受度問題。當前，高通量篩選技術已逐步普及，可以快速測試和分析大量潛在催化劑候選材料，這為加速發現高性能催化劑帶來了巨大潛力。然而，全新的催化劑設計仍然面臨諸多挑戰。首先，鑒定CO?加氫過程中涉及的關鍵活性物種，并在分子水平上全面理解催化循環，目前仍超出了現有實驗和計算能力的極限。其次，理論模型與實際催化性能之間的差距，使得僅憑計算優化催化劑設計難以直接轉化為實際性能的提升。此外，燒結、毒化和積碳等固有失活機制仍然缺乏深入研究，因此尚未能構建一個準確整合所有變量的穩健模型。展望未來，下一代工具的應用可能為該領域帶來突破，包括強化人工智能（AI）和深度學習技術。結合龐大的實驗與模擬數據，并借助量子計算能力的提升，研究者可以在更大范圍內、更高精度地進行模擬，從而更真實地理解催化劑的結構-活性關系及其關鍵特性。同時，原位表征技術的不斷進步，特別是在更真實的反應環境下進行檢測（例如更高效的光子收集和更先進的數據解卷積技術），也使研究者能夠更精確地解析催化劑活性位點的演變機制。這些進展有望超越當前對金屬-金屬氧化物界面上甲酸根、甲氧基和羰基等常規物種的研究范疇，深入理解其真正的重要性。最終，研究者或許能夠完整解析CO?加氫催化循環，這將被視為該領域的“圣杯”。這不僅可能為更可持續的CO?轉化路徑（包括生物基、混合型、光催化及電催化等低溫、低壓過程）鋪平道路，還可能推動分布式CO?利用技術的發展。Jingyun Ye et al. ,Hydrogenation of CO2 for sustainable fuel and chemical production.Science387,eadn9388(2025).DOI:10.1126/science.adn9388
