7月22日，Science（《科學(xué)》）在線發(fā)表動力與機械學(xué)院、工業(yè)科學(xué)研究院定明月教授的Perspective（觀點）文章，題為“Improving catalysis by moving water”（《通過轉(zhuǎn)移水改善催化》），該文評述和討論了疏水策略對合成氣高效轉(zhuǎn)化的重要性、最新研究進展及未來發(fā)展方向。

低碳烯烴（乙烯、丙烯、丁烯）是現(xiàn)代化工中重要的基礎(chǔ)原材料，其工業(yè)生產(chǎn)主要依賴于石油。煤炭經(jīng)合成氣平臺（CO和H2）可以轉(zhuǎn)化為各種液體燃料（汽油、柴油、航空燃油）和大宗化學(xué)品（烯烴、芳烴、醇），是緩解我國石油資源短缺、實現(xiàn)煤炭清潔高效利用的關(guān)鍵技術(shù)，煤制油的成套工藝在我國已經(jīng)實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。對于煤炭經(jīng)合成氣直接制取低碳烯烴尚處于研發(fā)階段，該技術(shù)的核心在于設(shè)計催化劑以將合成氣高效轉(zhuǎn)化為低碳烯烴。

水是合成氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)中的副產(chǎn)物，會通過覆蓋催化活性位或誘發(fā)副反應(yīng)而限制合成氣制取低碳烯烴的催化效率。近期，浙江大學(xué)肖豐收/王亮團隊和中科院精密測量院鄭安民團隊合作報道（Science2022,377,406-410），將一種疏水性的助劑PDVB（聚二乙烯基苯）和CoMn催化劑物理混合后，反應(yīng)中CO轉(zhuǎn)化率從32%大幅提升至64%。CoMn/PDVB具備CoMn催化劑反應(yīng)條件溫和、對低碳烯烴選擇性好的優(yōu)點，而PDVB作為疏水性導(dǎo)水通道加速了水分子的擴散、削弱了水分子與CO在CoMn催化劑上的競爭吸附，進而在CoMn催化劑上暴露出更多的催化活性位，提高了合成氣向低碳烯烴的轉(zhuǎn)化效率。

減少水對合成氣轉(zhuǎn)化的負面作用

在此之前，定明月團隊報道了一種“化學(xué)修飾”的疏水策略（Science 2021, 371, 610-613）：在FeMn催化劑上包覆一層二氧化硅，并進一步通過硅烷化修飾得到了疏水性FeMn@Si催化劑。研究發(fā)現(xiàn)，表面二氧化硅疏水層可以保護碳化鐵活性相免受水的氧化，使得其在反應(yīng)中相處于良好的穩(wěn)定狀態(tài)。與此同時，催化劑表面疏水層阻止了水接觸核層的鐵物種，進而抑制了水煤氣變換副反應(yīng)（CO + H2O → CO2+ H2）的進行，使得產(chǎn)物中對CO2的選擇性從傳統(tǒng)催化劑上的45%左右降低至13%左右，顯著降低合成氣制烯烴過程中的碳排放。

結(jié)合“物理混合”與“化學(xué)修飾”的疏水策略，以開發(fā)CO轉(zhuǎn)化率高、CO2副產(chǎn)物選擇性低的新型高效催化劑，將大幅度降低煤炭經(jīng)合成氣平臺制備各種液體燃料和大宗化學(xué)品過程中的生產(chǎn)成本和碳排放，打通該工藝的全部潛能，極大推動我國煤炭清潔高效利用技術(shù)的發(fā)展，為實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標(biāo)提供新的解決方案。

該項工作得到了國家自然科學(xué)基金（21978225，U21A20317）的資助。（來源：武漢大學(xué)）