二氧化碳（CO₂）是导致全球气候变化的主要温室气体，其排放主要来源于化石燃料的燃烧。为了减少CO₂排放并实现碳资源的高效利用，CO₂加氢转化为甲醇等燃料和化学品成为一项重要研究方向。与传统的碳捕集与封存（CCS）方法相比，CO₂加氢不仅能减少温室气体排放，还能提供可再生能源驱动的燃料。然而，现有催化体系仍面临催化剂寿命短、选择性低以及逆水煤气变换（RWGS）反应竞争等挑战，限制了其工业化应用。
针对这一问题，美国杜肯大学Jingyun Ye和法国洛林大学Robert Wojcieszak教授团队携手在Science期刊上发表了题为“Hydrogenation of CO2 for sustainable fuel and chemical production”的最新综述论文。本文第一作者为天津大学校友叶静云。
团队设计并制备了一种基于Cu/ZnO/MnO/KIT-6的新型催化剂，实现了在温和条件（180°C）下高效催化CO₂加氢生成甲醇。通过优化催化剂组成和结构，该体系有效降低了RWGS副反应，提高了甲醇选择性。
实验结果表明，该催化剂在3 MPa压力下展现出超过50%的甲醇选择性，并具有优异的稳定性。进一步的机理研究揭示了活性位点结构与产物选择性之间的关系，为开发高效、长寿命的CO₂加氢催化剂提供了新的思路。该研究成果为CO₂资源化利用提供了重要理论依据和技术支持，有望推动可持续燃料的绿色生产。
(1) 本研究首次综述了CO₂加氢热催化转化的异质催化途径，重点关注甲醇合成及其进一步转化为一氧化碳和烃类燃料。研究梳理了不同催化剂的活性位点结构与产物选择性的关系，并探讨了基于地球丰富元素开发长寿命催化剂的关键挑战。
(2) 研究通过分析甲醇催化剂的发展历程，发现传统Cu/Zn/Al₂O₃（CZA）催化剂易促进逆水煤气变换（RWGS）反应，降低CO₂直接转化效率，并存在烧结失活问题。近年来，In₂O₃基催化剂因较高的甲醇选择性（50%以上）受到关注，而Cu/ZnO/MnO/KIT-6催化剂在180°C条件下表现出高CO₂转化率和甲醇收率。
(3) 研究指出，甲醇催化剂在较低温（<300°C）、高压（>3 MPa）下性能最佳，而烃类催化剂在较高温（>300°C）、低压（<3 MPa）下更具优势。此外，CO₂加氢技术的可持续性受CO₂来源、氢气制备方式及整体环境影响权衡，若结合可再生能源，可有效减少碳足迹，并为航空航运等难电气化行业提供清洁燃料解决方案。
(4) 研究展望未来催化剂设计需解决寿命短、关键元素依赖等问题，应重点优化直接CO₂转化途径，减少RWGS副反应，并通过载体调控和稳定剂引入抑制烧结失活。Pd-In催化剂等新体系虽有潜力，但成本仍是挑战。整体而言，催化剂结构表征和设计的进展正推动CO₂加氢技术向更加高效、稳定和可持续的方向发展。
图1. CO2加氢。
图2. 双功能催化过程。
图3. 全球变暖的影响。
传统CZA及Fe、Co基催化剂虽已被广泛研究，但其寿命短、制备困难等问题限制了其工业应用，亟需寻找替代方案。其次，当前高价值金属（如Pd、In）虽在催化性能上表现优异，但其成本和可扩展性问题阻碍了大规模应用。因此，未来催化剂设计应更加注重延长催化寿命，如提高抗烧结能力或实现原位再生，同时结合高通量筛选技术，加速发现新型高效催化剂。此外，尽管AI与量子计算正在提升催化模拟的精度，但理论与实际性能之间的差距仍需进一步弥合，尤其是对催化失活机制的理解仍不完善。未来，随着原位表征技术的发展，我们有望更加深入地解析催化剂活性位点及其演变过程，从而实现对催化循环的完整解析。这不仅将推动更可持续的CO₂转化技术发展，也将为低温、低压条件下的分布式CO₂利用提供新思路。
Jingyun Ye et al. ,Hydrogenation of CO2 for sustainable fuel and chemical production. Science387, eadn9388(2025). DOI:10.1126/science.adn9388