通过多相催化将二氧化碳加氢转化为重要的大宗化学品的新兴工艺为有价值化学品的可持续和低成本生产提供了一种替代策略，并为减少二氧化碳排放带来了重要机会。对现代社会来说，通过CO₂加氢直接合成α-烯烃、芳香烃等不饱和重烃家族比生产短链产品更有吸引力和挑战性，因为对长链烃类的C-O活化和C-C偶联难以控制。在过去的几年中，在开发高效催化剂以及对其催化机理的理解方面取得了快速进展。

有鉴于此，中国科学院大连化学物理研究所孙剑研究员和葛庆杰研究员等人，综述了近年来CO₂加氢合成α-烯烃和芳烃的研究进展，包括直接和间接两种途径。

本文要点

1）系统地讨论了催化剂的合理制备和设计、多活性位点的邻近效应、催化剂的稳定性和失活、反应机理和反应器设计等问题。最后，提出了目前在发展先进催化剂方面面临的挑战和潜在的应用，以及下一代CO₂加氢技术在未来实现碳中和中的机遇。

2）催化剂设计方面的挑战。尽管近三年来双功能催化剂的设计取得了显著的进展，但目前大多数双功能催化剂的设计策略仍是物理混合法。鉴于此，由于传统的催化剂设计面临以下挑战，因此迫切需要构建更有效的用于由 CO₂ 加氢合成定向不饱和烃的催化剂。首先，生产芳烃和烯烃的方法都存在单程收率低的问题。受不可避免的逆水煤气变换反应、C-C 耦合的 ASF 定律或烃池机制的限制，通常观察到对 CO 和复杂的低碳烃副产物的选择性都非常高（通常超过30%）。理论上，热力学极限也抑制了CO₂的最大转化率。另一方面，在今后的催化剂设计中，优化a-烯烃和芳烃的产品分布是非常必要的。对于a-烯烃的生产，目前的研究结果大多集中在与乙烯和丙烯共存的短链C4-C7产物上。而对a-烯烃最有价值的比例是C8+产品，C8+产品更适用于高级润滑油和聚烯烃稀缺的共聚单体。

3）此外，在所有不饱和烃合成中，催化剂的稳定性也需要提高。由于芳烃和α-烯烃中存在不饱和CQC键，在反应条件下它们在催化剂表面非常活跃，导致裂解成焦炭并在氧化物或酸性沸石上积累。失活通常发生在那些双功能催化剂中，这也是许多经典化学过程中的常见问题，例如甲醇制芳烃。从新材料设计的角度来看，开发具有中孔或大孔结构的高强度的催化剂有望实现生成的不饱和产物从活性位点的快速迁移。此外，合理设计一系列具有更小直径（如微米级、纳米级或原子级）的明确结构的新催化剂可能会带来优异的性能并防止在 CO₂ 加氢中结焦。调节原子尺度、催化剂组成和表面结构工程中双功能活性位点之间的界面是实现上述过程的重要途径。

参考文献：

Jian Wei et al. Towards the development of the emerging process of CO₂ heterogenous hydrogenation into high-value unsaturated heavy hydrocarbons. Chem. Soc. Rev., 2021.

DOI: 10.1039/D1CS00260K

https://doi.org/10.1039/D1CS00260K