突破性催化剂将二氧化碳转化为清洁燃料的重要成分

来自韩国能源研究所（以下简称KIER，所长尹章根）氢能研究部门崔永求博士领导的研究团队开发了一种世界级的催化剂，用于逆水气变换反应，将主要温室气体二氧化碳转化为环保燃料的关键构建块。

图片来源：韩国能源研究院

逆水气变换（RWGS）反应是一种技术，通过在反应器中与氢（H₂）反应，将二氧化碳（CO₂）转化为一氧化碳（CO）和水（H₂O）。生成的一氧化碳可以与剩余的氢结合产生合成气（syngas），后者是e-燃料*和甲醇等合成燃料的基础。这使得RWGS反应成为推动环保燃料行业的一项有前景的技术。

e-燃料是由绿色氢气与通过可再生电力产生的氢能以及从大气中捕获的二氧化碳或可持续生物质结合生产的合成燃料。它们正在成为传统化石燃料的一种有前景的替代品，特别适用于难以去碳化的行业如航空和航运。逆水煤气变换（RWGS）反应在800°C以上的温度下能实现更高的二氧化碳转化率，因此通常使用镍基催化剂，这类催化剂相比其他金属具有更好的热稳定性。

然而，在这种高温下的长时间暴露会导致颗粒聚集，从而降低催化活性。在较低温度下，则会产生如甲烷等副产品，这会减少一氧化碳的产量。因此，当前的研究重点是开发即使在低温条件下也能保持高活性的催化剂，以降低成本并提高效率。该KIER研究团队通过开发成本效益好且资源丰富的铜基催化剂克服了传统催化剂的限制。

他们新开发的铜-镁-铁混合氧化物催化剂在400°C下将一氧化碳的生产速度提高了1.7倍，并且产量提高了1.5倍，超过了商用铜催化剂。与镍催化剂不同，铜基催化剂在低于400°C的温度下仅能选择性地生成一氧化碳而不会产生如甲烷等副产品。

然而，挑战在于铜的热稳定性在大约400°C时显著下降。热稳定性的降低导致颗粒聚集，从而大幅降低了催化剂的整体稳定性。为解决这一问题，研究团队采用了层状双氢氧化物（LDH）结构。这种结构具有类似于三明治的形式，在薄金属层之间嵌入水分子和阴离子，并通过调整金属离子的种类和比例可以实现各种物理和化学性质。通过引入铁和镁，团队能够填充铜颗粒之间的空隙，防止颗粒聚集并从而提高热稳定性。

通过实时红外分析和反应实验，研究人员发现了为何新开发的催化剂比传统催化剂性能高出654倍的原因。当使用传统的铜催化剂时，二氧化碳和氢气首先反应生成中间体福马特，然后再转化为一氧化碳。相比之下，新型催化剂直接在催化剂表面将二氧化碳转化为一氧化碳，而不产生中间体。

由于避免了生成不必要的中间体或甲烷副产品，该催化剂即使在相对较低的400°C温度下也能保持高活性。 重要的是：研究团队开发的催化剂在400°C下实现了33.4%的一氧化碳产率和每克催化剂每秒223.7微摩尔的一氧化碳生成速率（μmol·gcat⁻¹·s⁻¹），并且稳定运行超过100小时。与商用铜催化剂相比，这一性能在一氧化碳生成速率上提高了近7倍，在产率上提高了1.5倍。

此外，与铂等贵金属催化剂相比，后者在低温下表现出较高的活性，新型催化剂显示出2.2倍更高的生成速率和1.8倍更高的产率，使其成为全球表现最佳的催化剂之一。该研究的首席研究员崔永久表示：“低温二氧化碳加氢催化剂技术是一项突破性成果，能够利用廉价且丰富的金属高效生产一氧化碳。这项技术可以直接应用于可持续合成燃料关键原料的生产。”未来，我们将继续研究，将其应用扩展到实际工业环境中，从而为实现碳中和和可持续合成燃料生产技术的商业化作出贡献。

编撰自论文“在低温CO2加氢反应中合成以Fe改性混合氧化物负载的CuOx催化剂，在低温CO2加氢中形成CO速率高”.应用催化B：环境与能源.2025相关信息，文中配图若未特别标注出处，均来源于公开图库。