當全球都在為“碳中和”絞盡腦汁時，你知道嗎？讓CO?變廢為寶的關鍵，可能藏在催化劑里金屬原子的“鄰里關系”中。近日，天津大學、南開大學聯合研究團隊在《Frontiers of Chemical Science and Engineering》發表論文，首次發現鐵（Fe）和錳（Mn）原子的距離越近，CO?加氫反應效率越高：當距離縮短到1納米以內時，CO?轉化率提升35.2%，甲烷（CH?）生成減少近一半，而高價值的長鏈烴（C5+）選擇性提高51.3%。這一發現為設計高效CO?轉化催化劑提供了“分子級戶型圖”。

碳中和的“攔路虎”：CO?加氫總“跑偏”

CO?加氫反應就像一場“分子廚藝秀”——把CO?和氫氣“炒”成燃料或化學品。鐵基催化劑是這場“廚藝秀”的主力，但傳統鐵催化劑總愛“炒糊”：要么把CO?過多轉化為無用的甲烷，要么反應效率低下，轉化率常低于30%。“問題出在催化劑的‘戶型’不好。”研究團隊解釋，鐵原子容易“貪吃”氫氣，導致表面氫濃度過高，反而讓CO?“無處落腳”，最終生成大量甲烷。

錳（Mn）作為“調味劑”常被加入催化劑，卻一直“發揮不穩定”。有的研究說它能促進長鏈烴生成，有的則認為會抑制反應。謎底直到科學家關注到“鄰居距離”才被揭開：原來，鐵和錳原子的距離，才是決定催化效果的關鍵“開關”。

給催化劑“換戶型”：三種距離，三種表現

為驗證“鄰居效應”，團隊給催化劑設計了三種“戶型”：

  • “親密型”（FeMn-stf）：Fe和Mn原子“住對門”，距離小于1納米，像同一屋檐下的室友；
  • “鄰居型”（FeMn-imp）：原子距離1-20納米，類似同小區鄰居；
  • “遠親型”（FeMn-mix）：距離超50納米，好比住在不同小區。

通過X射線衍射（XRD）和透射電鏡（TEM）觀察，“親密型”催化劑中Fe和Mn原子完全重疊分布，像摻在一起的紅豆和綠豆；“遠親型”則各自聚集，涇渭分明。隨后的催化反應測試顯示：“親密型”表現最佳，CO?轉化率達35.2%，比“遠親型”（27.2%）提升30%；甲烷選擇性從39.8%降至19.8%，而C5+烴類（可用于制造柴油、蠟等）選擇性提高到51.3%。

原子“悄悄話”：電子轉移讓反應“提速”

為什么距離近了效果更好？團隊用X射線光電子能譜（XPS）發現了“電子悄悄話”：Mn原子會把電子“分享”給Fe原子，就像鄰居借東西，讓Fe表面電子密度增加。這相當于給Fe原子“戴上了手套”，減少對氫氣的“貪吃”，同時增強對CO?的吸附能力——CO?-TPD測試顯示，“親密型”催化劑吸附CO?的能力是“遠親型”的1.5倍。

更關鍵的是原位紅外光譜（FTIR）捕捉到的“反應 intermediates”：“親密型”催化劑中，CO?會快速轉化為甲酸根（HCOO*），這是生成烴類的“關鍵中間體”；而“遠親型”幾乎看不到這種物質，CO?大多直接變成CO跑掉。“就像做飯，‘親密型’能把原料及時轉化為半成品，而‘遠親型’還沒下鍋就丟了一半。”研究人員比喻道。

催化劑“裝修指南”：未來這樣設計更高效

這項研究為CO?轉化催化劑提供了“裝修新思路”：與其盲目添加金屬元素，不如優化原子間的“鄰里距離”。團隊指出，未來可通過調控催化劑的晶體結構，讓活性金屬原子“住得更近”，比如采用尖晶石結構（如實驗中的FeMn-stf），或通過原子層沉積技術精準控制距離。

“這就像優化辦公室布局，讓合作緊密的同事坐在一起，效率自然提升。”論文通訊作者黃守瑩教授表示，該發現不僅適用于CO?加氫，還為其他雙金屬催化反應（如合成氨、制氫）提供了借鑒。

來源: 化學工程前沿FCSE