厦门大学在Chem. Soc. Rev.发表合成气和CO2催化转化综述

CO、CO₂、CH₄和CH₃OH等C1分子的催化转化在能源和化工生产中发挥愈来愈重要的作用。合成气转化和CO₂加氢制备C₂₊碳氢化合物，特别是汽油、柴油、航空煤油等液体燃料和低碳烯烃、芳烃等大宗化学品代表了C1化学领域的重要研究方向。该方向最大的科学挑战在于产物选择性调控。

近日，厦门大学王野（点击查看介绍）团队在化学领域权威综述期刊Chemical Society Reviews 上发表了题为“New horizon in C1 chemistry: breaking the selectivity limitation in transformation of syngas and hydrogenation of CO₂ into hydrocarbon chemicals and fuels”聚焦于产物选择性调控的综述性论文，并被遴选为“Outside front cover”。该文全面总结了近几年来双功能催化策略用于合成气以及二氧化碳转化制液体燃料和化学品的研究，并对目前面临的挑战和未来的发展方向做出了深入思考和前瞻性展望。

费托合成是合成气催化转化为C₂₊碳氢化合物的经典过程，产物选择性受制于Anderson-Schulz-Flory(ASF)分布。CO₂加氢制C₂₊碳氢化合物选择性遇到类似的限制。近年来，国内外多个研究团队利用功能耦合策略，在合成气转化和CO₂加氢制备液体燃料、低碳烯烃、芳烃方面取得重大突破，相关产物的选择性突破了费托合成催化剂上的限制。该综述基于这些重大突破，对近年来发展的两大类双功能催化剂进行了系统总结。第一类主要由Fe(Fe_xC_y)、Co、Ru等费托金属纳米粒子和沸石分子筛组成，前者负责CO活化和碳链增长，后者负责前者上生成的高碳烷烃或α-烯烃的选择性裁剪或重整。调控该类双功能催化剂中金属纳米粒子的平均尺寸、粒径分布、优先暴露晶面、沸石分子筛介孔结构、酸性，可以高选择性获得汽油、航煤、柴油或芳烃等产物。论文剖析了酸性位上加氢裂解与金属纳米粒子上氢解反应在高碳烃C-C键选择性裁剪中的贡献。第二类双功能催化剂主要由金属氧化物和沸石分子筛组成，合成气或二氧化碳加氢制低碳烯烃和芳烃选择性可达或接近80%。该类催化剂作用机理不同于传统的费托合成机理，代表了合成气或CO₂催化转化的新路线。在该类双功能催化剂上，金属氧化物首先活化CO或CO₂为中间产物（如甲醇/二甲醚、烯酮），而后中间产物经过分子筛的择形催化转化，成功实现低碳烯烃或芳烃等重要化学品的高选择性合成。论文指出氧化物组分的选择和两组分间的匹配是抑制低碳烯烃产物加氢为烷烃这一巨大挑战的关键。论文提出两大类金属氧化物催化剂，即ZnO-ZrO₂、In₂O₃-ZrO₂等固溶体类氧化物和ZnCr₂O₄、ZnAl₂O₄、ZnGa₂O₄等具有尖晶石结构的化合物。论文分析了分子筛的酸性、双组分的接触距离等因素对催化性能的影响，从反应路径、中间体、动力学、反应机理等角度对该类双功能催化体系进行深入剖析。论文还对双功能催化体系的优缺点进行了分析与展望。

王野团队致力于C1化学基础研究。近年来，在C1化学中发展功能耦合、接力催化等新概念，构建了一系列产物选择性可控的合成气和二氧化碳催化转化的双功能催化剂体系，相关成果发表了一系列重要学术论文（Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 2565; Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 5200; Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 4553; Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 4725; Chem, 2017, 3, 334; Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 12012; Chem. Sci., 2018, 9, 470）。

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New horizon in C1 chemistry: breaking the selectivity limitation in transformation of syngas and hydrogenation of CO₂ into hydrocarbon chemicals and fuels

Wei Zhou, Kang Cheng, Jincan Kang, Cheng Zhou, Vijayanand Subramanian, Qinghong Zhang and Ye Wang.

Chem. Soc. Rev., 2019, DOI: 10.1039/C8CS00502H

导师介绍

王野

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