超过93%！清华大学，Nature Sustainability！

合成气（CO/H₂）转化为碳氢化合物是替代传统石油化工的重要途径，但其工业化受限于催化体系中活性与选择性的矛盾。根据Sabatier原理，催化剂需与中间体适度相互作用，但线性缩放关系常导致活性提升伴随选择性下降。传统多活性位点策略虽能缓解单一位点限制，却因中间体跨域反应网络复杂化而效率降低。

成果简介

受生物代谢分流启发（如乙醛酸循环与三羧酸循环的切换），清华大学/鄂尔多斯实验室魏飞教授、陈晓副研究员、张晨曦副研究员团队提出“催化分流”策略，通过调控多功能催化体系中中间体的吸附行为引导反应路径。

该策略的核心是通过调节双功能催化剂中单原子钼的氧配位数（Mo–O）改变中间体在不同活性域的吸附能。实验表明，Mo–O₅构型结合H-ZSM-5分子筛时，一氧化碳（CO）转化率超过70%，芳烃选择性达80%以上，产率超过40%；而Mo–O₃构型通过强吸附中间体抑制后续反应，甲烷选择性超过93%，CO转化率超50%。

此策略还可拓展至其他双功能体系（如汽油和轻烯烃生产），为解决催化合成气转化中活性-选择性权衡问题提供了可行方案，推动了其实际应用。相关研究成果以“Efficient syngas conversion via catalytic shunt”为题，于2025年5月1日发表在Nature Sustainability上。清华大学/鄂尔多斯实验室田果博士为论文第一作者。

作者简介

田果，第一作者，博士，清华大学化工系魏飞教授课题组成员，鄂尔多斯实验室绿色能源团队多相催化方向指导专家。研究方向：生物质合成气/CO₂转化为绿色燃料及高附加值化学品的催化剂理性设计。目前以第一作者（含共一）/通讯作者身份发表SCI论文10余篇，包含Nature Sustainability、Nature Communications（2篇，一篇为editor’s highlight），ACS Catalysis等。荣获首届碳未来青年研究者奖（Carbon Future），清华大学学术新秀提名奖等。

魏飞，清华大学教授，鄂尔多斯实验室主任。研究方向：流态化、多相反应工程、颗粒学、纳米催化及能源化工等。国家杰出青年基金（1997）获得者，主持设计30余台多相反应器投入商业运行，如2000吨/年纳米聚团流化床法碳纳米管、60万吨/年流化床甲醇制丙烯（在建）、3万吨/年流化床法甲醇制芳烃及10万吨/年流化床法苯胺，15万吨/年下行床催化裂化等，研究成果获国家科技进步二等奖（2002年，2008年）、中石化科技进步一等奖（2001、2007年）、教育部自然科学一等奖（2005，2015）、发明一等奖（2012）。在Science、Nature等杂志发表论文600余篇，专著4部，SCI引用68000余次。

图文导读

图1 催化系统的设计灵感来自于生物系统

图1a展示细胞内代谢分流（乙醛酸循环与三羧酸循环），通过调节异柠檬酸与酶（ICL/ICD）的亲和力实现产物多样性；图1b提出催化分流假说：通过调控中间体在不同活性域的吸附能（如Mo–O配位数差异），引导其形成不同产物。该设计灵感源自生物代谢调控机制，为双功能催化剂的设计提供了理论框架。

图2 单原子Mo-Ox的结构

图2通过高角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）和原位漫反射红外光谱（DRIFT）分析Mo单原子的位置与配位环境。Mo/ZnCr中Mo以表面负载的Mo–O₃构型存在，而Mo@ZnCr中Mo取代Cr位点形成Mo–O₅构型（图2a-d）。EXAFS拟合进一步证实Mo–O₃和Mo–O₅的配位数分别为2.8和5.1（图2f-g），揭示了配位环境对吸附能的调控作用。

图3 通过引入催化分流策略提高催化性能

图3a显示双功能系统（ZnCrOₓ-Mo/H-ZSM-5）结构，图3b-c对比不同Mo配位数催化剂的产物分布：Mo–O₃体系甲烷选择性达93.5%（CO转化率50.4%），而Mo–O₅体系芳烃选择性达88%（CO转化率61.4%）。图3d-e展示200小时稳定性测试，两体系均保持高选择性和转化率，验证了催化分流的耐久性。

图4 中间体脱附行为分析

图4a显示活性域间距对产物选择性的影响：增大Mo–O₅与H-ZSM-5间距导致芳烃选择性骤降（88%40.7%），甲烷选择性上升（90.2%），证明中间体脱附是分流的决定性因素。图4b-c通过DRIFT光谱揭示Mo–O₅体系中CH₂O*中间体向分子筛扩散（峰强度下降），而Mo–O₃体系中中间体滞留于活性域I（峰强度稳定），直接氢化为甲烷。

图5 两个活性域反应网络的机理研究

图5展示了通过密度泛函理论计算阐明催化分流机理：Mo–O₃降低CHOCH₂O的能垒（0.71 eV），促进中间体强吸附并氢化为甲烷；而Mo–O₅促使CH₂O*脱附（吸附能-0.34 eV），进入H-ZSM-5发生芳构化（能垒0.82 eV）。图5d总结分流路径：Mo配位数差异通过调控中间体吸附-脱附平衡，实现产物定向选择。

图6 其他具有不同活性结构域的双功能系统的催化分流策略

图6展示了双功能系统拓展至其他分子筛（SAPO-34和SAPO-11）：SAPO-34（孔径3.8 Å）优先生成轻烯烃（C₂⁻选择性>90%），而SAPO-11（孔径5.0 Å）生成汽油馏分（C₅⁺选择性>80%）。结合Mo配位数调控，验证了催化分流策略在多种产物体系中的通用性。

结论展望

该项研究提出的催化分流策略通过精确调控中间体在不同活性域的吸附能，成功突破了双功能催化体系中活性与选择性的固有矛盾。通过调节单原子钼的氧配位数（Mo–O₃和Mo–O₅），实现了合成气定向转化为高附加值产物（如芳烃或甲烷）。Mo–O₅/H-ZSM-5体系展现出优异的芳烃选择性（>80%）和CO转化率（>70%），而Mo–O₃体系则通过强吸附中间体优先生成甲烷（选择性>93%）。结合密度泛函理论计算和原位表征，揭示了中间体（如CH₂O*）的脱附行为是催化分流的关键驱动力。该策略的普适性在SAPO分子筛体系中得到验证，可灵活调控产物分布（如轻烯烃和汽油）。未来研究可进一步探索活性位点空间排布与扩散动力学，为小分子可持续转化提供新思路。

文献信息

Tian, G., Li, Z., Liao, D. et al. Efficient syngas conversion via catalytic shunt. Nat Sustain (2025). https://doi.org/10.1038/s41893-025-01551-7

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