分子围栏铜基催化剂用于高活性、高耐久性的CO2加氢制CO

把温室气体变成有用原料

二氧化碳常被视为气候恶棍，但它同样是一种富含碳的原料。如果我们能用清洁氢高效地将CO2转化为有用化学品，就能在减少排放的同时生产可持续燃料。本研究报道了一种新的铜基催化剂，其行为类似微观的“分子围栏”，能以极高的速率将CO2转化为一氧化碳（合成燃料的关键组分），并在苛刻条件下展现出显著的长期稳定性。

矿物笼中的微小工厂

研究人员使用了一种著名的类矿物材料——沸石，它具有有序的微通道网络。他们在铜簇周围直接生长这种经过改性的沸石（改良莫来石）。在生长过程中，结构收缩，使通道开口缩小到大约氢分子大小，但仍小于CO2分子。实际上，铜簇最终被锁在一个刚性多孔外壳内。这种设计意味着氢能到达铜簇，而CO2则在沸石的外表面被捕获并活化，而不是直接与金属接触。

一种能分流的保护性围栏

由于沸石的开口非常小，它们起到分子筛的作用。体积小的氢可以穿过并到达被包裹的铜簇，在那里被裂解成高度活泼的氢碎片。体积稍大的CO2不能通过相同的开口，而是在沸石外层靠近钠离子的特定位点被捕获。在那里，CO2被弯曲并部分带电，因而更易发生转化。氢被活化的位置与CO2被捕获的位置在空间上被物理分离，这正是“分子围栏”概念的核心：气体分子在相遇之前就按尺寸和功能被分类。

隐藏的铜如何完成艰苦工作

在沸石内部，铜并不存在为大颗粒，而主要以与氧紧密结合的小簇形式存在。受限的环境产生了许多“空位”——缺失的铜原子，这些空位对裂解氢特别有效。当氢进入通道时，会在这些簇上解离成带正负电荷的碎片。这些碎片随后在沸石网络中移动，常常借助反应中产生的水分子转移。通过这种方式，催化剂将活性氢从隐藏的金属簇输送到位于通道口富含CO2的区域，CO2在类似甲酸盐的中间体路径上被还原，最终以CO和水的形式释放。

在他人失效时仍保持活性

大多数将CO2转化为一氧化碳的铜催化剂最终会失效，原因在于在高温下铜颗粒会团聚，或由于奥斯特瓦尔德熟化导致铜原子迁移并重聚。该设计中的分子围栏阻止了这两类问题。刚性的沸石笼阻止铜迁移并合并成较大且活性降低的团块，同时也防止CO2和CO直接与铜粘附并形成可迁移的铜-碳络合物。测试显示，该新催化剂在连续高温运行超过一个月期间，几乎保持了最大可能的CO2转化率和对CO的接近完美选择性，优于许多现有铜基体系。

这对未来清洁燃料意味着什么

对于非专业读者，关键结论是：在原子尺度上的精细“结构化”控制可以改变像铜这样常见金属的行为。通过将铜簇嵌入具有尺寸选择性的矿物框架中，研究团队创造了一种不仅能极其高效地将CO2转化为有价值的燃料前体，而且能抵抗通常困扰此类体系的缓慢退化的催化剂。这一分子围栏方法可扩展到其他金属和反应，为在工业条件下将废气转化为有用产物提供了一条通用且稳健的路线。

引用: Su, W., Jia, X., Deng, X. et al. Molecular fence Cu-based catalyst for CO₂ hydrogenation to CO with high activity and durability. Nat Commun 17, 3552 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70333-2

关键词: CO2 加氢, 铜催化剂, 沸石, 逆水煤气变换反应, 合成气生产