近日，我组氢能与先进材料研究部碳资源小分子与氢能利用研究组（DNL1905组）孙剑研究员和葛庆杰研究员团队在合成气经费托路线制低碳烯烃方面取得重要进展，提出了一种在温和条件下实现合成气高效直接转化为低碳烯烃的新策略。该研究围绕碳氧键高效活化与碳碳偶联协同匹配这一核心科学问题，从催化剂表面微观反应机制出发，突破了传统依赖高温高压条件的技术路线，为低能耗、高效率碳资源小分子转化提供了新的思路。
低碳烯烃是现代化工和新材料产业的重要基础原料，广泛应用于塑料、合成橡胶及精细化学品生产。目前，工业上低碳烯烃主要依赖石油裂解工艺，能耗高、碳排放大。以合成气（纯化后CO和H2的混合气体）为原料直接制备低碳烯烃，被认为是缓解资源与环境压力的重要途径。然而，该反应长期面临活性与选择性难以兼顾的瓶颈，尤其是在温和条件下，CO活化效率不足始终制约着整体反应性能的提升。
传统理论一般认为合成气转化过程中生成的水会覆盖催化剂表面活性位点，抑制CO加氢反应。而通过引入疏水高分子材料加快水的脱附和迁移，以“清空”活性位点，被认为是提升反应速率的有效策略。
本研究则另辟蹊径，从反应本征机理出发，提出亲水羟基在CO活化过程中可能发挥积极调控作用。研究发现，在钠钴锰催化体系中引入特定羟基助剂，如羟基磷灰石、勃姆石和气相二氧化硅，可构建富含表面羟基的反应界面，进而诱导催化剂形成低对称性三斜相钴锰复合氧化物这一新型活性结构。该结构特征有利于促进H辅助的CO解离路径，显著提升CO的活化效率。
该策略所构建的催化体系在250–260 ℃、0.1 MPa以及较宽氢碳比范围（H2/CO=1–2）内，实现了约80%的CO转化率和60%的低碳烯烃选择性，总烯烃选择性在80%以上。结构表征与机理研究表明，羟基助剂不仅可抑制催化剂的过度还原与碳化，还能稳定活性氧化物相的存在，从而在源头上优化CO活化与C–C偶联之间的协同关系。该发现为理解CO/CO2催化转化过程中多相活性结构的动态演化提供了新的实验依据。本研究为在低温、低压条件下高效制备低碳烯烃提供了新策略，也为后续开发面向工业应用的高性能费托合成催化剂奠定了重要基础。未来，相关成果有望在清洁能源利用和低碳化工过程开发中发挥积极作用。
孙剑研究团队长期致力于碳资源小分子与氢能利用研究，在CO2活化新路径（Nat. Chem.，2024；Nat. Commun.，2021），CO2加氢合成液态烃（Nat. Commun.，2017）、烯烃（Angew. Chem. Int. Ed.，2024）和醇类（Angew. Chem. Int. Ed.，2024；Angew. Chem. Int. Ed.，2023）等方向取得了系统性研究进展。团队还与企业合作建成并运行全球首套千吨级二氧化碳加氢制汽油示范装置，为后续万吨级工业装置的建设及应用奠定了重要基础。基于前期系统的基础研究与工业实践积累，本研究进一步拓展了对碳氧键活化机理的认识，并在温和条件下实现了对反应路径的精细调控和整体性能的协同提升。
相关研究成果以“Hydroxy induced cobalt oxides for syngas to light olefins”为题，于近日发表在《自然》（Nature）上。该工作第一作者是我所DNL1905组博士研究生韩誉。本工作中的中子衍射实验及结构解析工作得到中国散裂中子源、中国科学院高能物理研究所殷雯研究员和陈怀灿副研究员的支持；准原位X射线光电子能谱实验设计及分析得到福州大学谭理教授的支持；计算工作得到西华大学王宁博士的支持。上述工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、辽宁滨海实验室等项目的支持。
（文/图韩誉、孙艳楠）
