把二氧化碳更快更便宜地变成清洁燃料

逆水煤气变换（RWGS）反应是一种通过氢气在反应器中与二氧化碳（CO₂）反应，将其转化为一氧化碳（CO）和水（H₂O）的化学过程。生成的一氧化碳可与氢气结合制成合成气，这是生产电子燃料*和甲醇等合成燃料的基础原料。由于能将CO₂循环转化为可用燃料成分，该反应被视为推动可持续能源生产的重要途径。

传统催化剂的局限与突破需求
传统上，RWGS反应在800℃以上高温时效果最佳。镍基催化剂因能承受此类高温而常用，但随着颗粒团聚，表面积和效率降低，性能会逐渐衰减。低温操作可避免这一问题，却会生成甲烷等 unwanted 副产物，导致一氧化碳产量下降。为提高该过程的效率和经济性，研究人员一直在寻找低温下仍保持高活性的催化剂。韩国能源研究所（KIER）团队成功研发出一种新型铜基催化剂，在仅400℃时就展现出优异性能。

铜基催化剂设计的突破
这种新设计的铜-镁-铁复合氧化物催化剂性能优于商用铜催化剂，在400℃时一氧化碳生成速度快1.7倍，产率高1.5倍。

铜催化剂相比镍有一大优势：在400℃以下能选择性生成一氧化碳，不产生甲烷。但铜的热稳定性通常在该温度附近减弱，导致颗粒团聚和活性丧失。为解决这一难题，Koo博士团队在设计中引入了层状双氢氧化物（LDH）结构。这种层状结构包含薄金属片，片间有水分子和阴离子。通过调整金属离子的比例和种类，研究人员优化了催化剂的物理和化学特性。添加铁和镁有助于填充铜颗粒间的间隙，有效防止团聚并提高耐热性。

实时红外分析和反应测试揭示了新催化剂性能优异的原因。传统铜催化剂通过甲酸盐等中间体将CO₂转化为一氧化碳，而新材料则完全绕过这些中间体，在其表面直接将CO₂转化为CO。由于避免了生成甲烷等副产物的副反应，该催化剂即使在400℃较低温度下也能保持高活性。

创纪录性能与全球意义
在400℃时，该催化剂的一氧化碳产率达33.4%，生成速率为223.7微摩尔/克催化剂/秒，连续100小时保持稳定。这些结果表明，其生成速率是标准铜催化剂的1.7倍，产率是1.5倍。与昂贵但活性高的铂基催化剂相比，新催化剂的生成速率仍快2.2倍，产率高1.8倍，跻身全球顶尖二氧化碳转化催化剂之列。

项目首席研究员Kee Young Koo博士表示：“这种低温二氧化碳加氢催化剂技术是一项突破性成果，它能利用廉价且丰富的金属高效生产一氧化碳，可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，使其应用于实际工业场景，为实现碳中和及可持续合成燃料生产技术的商业化做出贡献。”

注释：*电子燃料是通过可再生电力产生的绿氢与从大气或可持续生物质中捕获的CO₂结合制成的合成燃料，作为传统化石燃料的有前景替代品，尤其适用于航空和航运等难脱碳领域。

该研究成果于2025年5月在线发表在能源与环境催化领域的权威期刊《Applied Catalysis B: Environmental and Energy》上，研究得到了KIER的研发项目“基于二氧化碳和氢气的可持续航空燃料（e-SAF）生产技术开发”的支持。