CO₂加氢效率提升30%，关键在“原子距离”：我国团队揭秘双金属催化剂协同密码-

全球每年超360亿吨CO₂排放加剧气候危机，将其转化为燃料或化学品是减碳新路径。但传统铁基催化剂如同“挑食的厨师”，总把CO₂加氢反应引向生成甲烷（CH₄），既浪费碳资源又降低燃料价值。近日，天津大学团队在《Frontiers of Chemical Science and Engineering》发表研究，通过调控铁（Fe）和锰（Mn）原子的“邻里距离”，让催化剂“改邪归正”——CO₂转化率提升30%，甲烷选择性降低50%，为高效CO₂资源化提供新范式。

传统催化剂的“致命挑食”

CO₂加氢反应就像“搭积木”：CO₂和H₂在催化剂表面“搭”出碳链，最终形成汽油、烯烃等长链分子。铁基催化剂因成本低、活性高，是工业界的“潜力选手”，但它有个致命缺点——表面“氢多碳少”，H₂吸附能力强而CO₂吸附弱，导致反应更易生成最简单的甲烷（CH₄）。数据显示，纯铁催化剂的甲烷选择性高达50.7%，而有用的长链烃（C5+）仅占6.7%，如同“种果树只结小酸果”。

为解决这一问题，科学家常添加锰（Mn）作为“调节剂”。但锰的作用一直像“谜”：有时促进长链生成，有时反而抑制反应。天津大学团队发现，关键可能藏在Fe和Mn原子的“距离”里——就像两个人合作，离得太远“喊不应”，离得近了才能“默契配合”。

给Fe和Mn“搬新家”：三种距离实验

团队设计了三组“邻居实验”，制备出Fe-Mn距离不同的催化剂：

FeMn-stf组：Fe和Mn原子“住对门”，距离小于1纳米（相当于原子肩并肩），通过尖晶石结构“锁死”位置；
FeMn-imp组：Fe和Mn“住同小区不同楼”，距离1-20纳米，通过共浸渍分散在载体上；
FeMn-mix组：Fe和Mn“住不同小区”，距离超50纳米，只是物理混合。

用X射线光电子能谱（XPS）观察发现，距离最近的FeMn-stf组出现“电子搬家”——Mn的电子向Fe转移，让Fe表面电子密度增加，就像“给Fe穿上导电外套”。这种电子转移促进了Fe的碳化（生成Fe₅C₂活性相），而碳化是长链烃生成的关键“开关”。

距离越近，“胃口”越好

催化性能测试揭开了距离的“魔力”：

CO₂转化率：FeMn-stf（最近距离）达35.2%，比FeMn-mix（最远距离）的27.2%提升30%；
甲烷选择性：FeMn-stf仅19.8%，远低于FeMn-mix的39.8%，相当于“把浪费的碳资源抢回来”；
长链烃（C5+）占比：FeMn-stf高达51.3%，是FeMn-mix（30.9%）的1.6倍，意味着更多汽油、柴油等“高价值产品”。

为什么距离近了效率高？原位红外光谱给出答案：FeMn-stf表面能生成大量“甲酸盐中间体（HCOO*）”——这是CO₂加氢的“黄金跳板”，能高效转化为长链分子。而距离远的FeMn-mix几乎检测不到这种中间体，反应就像“少了关键零件的流水线”，只能生成简单产物。

从实验室到工厂：还需“缩小距离”

这项研究首次证实，Fe-Mn双金属催化剂的“邻近效应”（即原子距离小于1纳米时协同作用最强）是提升CO₂加氢性能的关键。目前团队已通过尖晶石结构实现原子级分散，下一步计划将催化剂负载到工业常用的分子筛上，解决“距离控制”的规模化难题。

“就像调收音机找频道，只有Fe和Mn的‘频率’对上了，才能收到高效转化的‘信号’。”团队表示，这种原子级距离调控策略，未来或可推广到其他双金属催化体系，为CO₂制燃料、塑料等技术提供新工具。