面对全球气候变暖的严峻挑战，如何将二氧化碳（CO₂）转化为高附加值化学品，成为科学界攻关的焦点。近日，太原理工大学清洁与高效煤利用国家重点实验室景杰英、李文英团队在《化学科学与工程前沿》发表突破性成果，成功开发出新型钯/氢化二氧化钛（Pd/H-TiO₂）催化剂，在紫外光照射下，CO₂转化为甲酸（HCOOH）的产率高达14.14 mmol·g⁻¹·h⁻¹，选择性接近100%，性能刷新行业纪录。这项技术为CO₂资源化利用和清洁能源存储提供了全新路径。

CO₂转化之困：从“温室气体”到“液态阳光”的难题

甲酸被誉为“液态氢能载体”，其氢存储密度是压缩氢气的600倍，且运输安全、易于液化，是理想的清洁能源介质。然而，CO₂光催化还原为甲酸面临两大瓶颈：

1. 电子“内耗”严重：传统二氧化钛（TiO₂）催化剂受限于宽带隙（仅吸收紫外光）和快速电子-空穴复合，光能利用率不足5%；
2. 产物混杂：CO₂还原涉及多电子转移路径，易生成CO、甲烷等副产物，甲酸选择性普遍低于50%。

“缺陷+金属”双剑合璧：催化剂的分子级改造

研究团队创新性地对TiO₂进行“分子手术”，通过氢化处理在表面制造氧空位（Ov）——这些纳米级缺陷如同CO₂的“捕集器”，显著提升CO₂吸附能力。实验表明，氢化后的H-TiO₂催化剂CO₂吸附量从0.13 mmol·g⁻¹增至0.18 mmol·g⁻¹。

更进一步，团队在Ov表面负载直径5纳米的钯（Pd）颗粒，形成独特的Pd-Ov协同结构。钯的加入如同“电子高速公路”，将TiO₂受光激发的电子快速转移至CO₂分子，使电子-空穴复合率降低80%。X射线光电子能谱（XPS）证实，Pd与TiO₂间存在电子转移，极大增强了CO₂的活化效率。

性能飞跃：接近100%选择性的工业级突破

在30℃、2.0 MPa的温和条件下，Pd/H-TiO₂催化剂展现出惊人的性能：

• 甲酸产率达14.14 mmol·g⁻¹·h⁻¹，较未改性TiO₂提升17倍；
• 选择性接近100%，几乎无副产物生成；
• 循环稳定性优异，连续运行5次后活性仅下降8%，远超同类催化剂（通常衰减30%以上）。

密度泛函理论（DFT）计算揭示了性能提升的微观机制：Ov显著增强CO₂吸附能（从-0.104 eV降至-0.885 eV），而Pd通过形成肖特基结加速电子传递，使CO₂分子更易获得电子被还原为甲酸。

从实验室到工业：绿色化学的未来图景

这项技术的突破具有多重应用潜力：

1. 碳减排：以年产10万吨甲酸的工厂估算，每年可消耗CO₂约15万吨，相当于5万辆汽车的年排放量；
2. 氢能经济：甲酸可作为安全高效的储氢介质，破解氢能运输难题；
3. 化工升级：甲酸是医药、农药合成的重要原料，替代传统化石原料可降低行业碳足迹。

研究团队负责人景杰英表示：“我们正与企业合作开发中试装置，目标3年内实现催化剂吨级量产。未来，这项技术有望与太阳能电站结合，打造‘人工光合作用’系统。”

挑战与展望

尽管成果显著，产业化仍需攻克两大难关：

1. 光能利用率：当前催化剂仅响应紫外光（占太阳光5%），团队计划通过掺杂改性拓展至可见光范围；
2. 成本控制：钯为贵金属，需探索低含量或替代金属方案。

这项“分子级精准调控”的研究，不仅为CO₂资源化提供了高效工具，更标志着我国在光催化领域迈入国际领先行列。当“温室气体”变身为“液态绿能”，一场关乎地球未来的化学革命正在加速到来。

来源: 化学工程前沿FCSE