在全球碳中和的背景下，如何将“温室气体”CO2转化为高价值化学品成为科研热点。我国科研团队发现，通过调控氧化锌（ZnO）催化剂的“表面表情”——即暴露不同晶面，可显著提升CO2与环氧化物反应生成环状碳酸酯的效率。其中，暴露（002）晶面的ZnO纳米片催化剂，因表面氧空位浓度是传统纳米棒的2.2倍，将环状碳酸酯产率从42.3%提升至64.7%，且在7次循环使用后仍保持较高活性。相关成果发表于《Frontiers of Chemical Science and Engineering》。

CO2转化的“卡脖子”难题：催化剂效率低、稳定性差

CO2分子性质稳定，将其转化为有用化学品需高效催化剂。环状碳酸酯是重要的CO2转化产物，广泛用于锂电池电解液、医药中间体等领域，但其合成常面临反应条件苛刻、催化剂分离难等问题。传统 homogeneous催化剂（如有机胺、离子液体）虽活性高，但难以回收；多相催化剂如金属氧化物虽易分离，却存在活性位点少、稳定性不足的缺点。

ZnO作为一种低成本、环境友好的金属氧化物，近年被发现具有催化CO2环加成反应的潜力。但此前研究未关注其“晶面效应”——即晶体表面原子排列方式（晶面）对催化性能的影响。就像不同朝向的“表面口袋”，能吸附的分子种类和数量不同，晶面可能是调控催化剂活性的关键“密码”。

给ZnO“换张脸”：纳米片vs纳米棒，氧空位差两倍

内蒙古工业大学团队通过简单水热法，制备出两种不同“长相”的ZnO催化剂：一种是片状（P-ZnO），主要暴露（002）晶面；另一种是棒状（R-ZnO），主要暴露（100）晶面。通过电子顺磁共振（EPR）等技术发现，P-ZnO表面的氧空位（催化剂表面缺少氧原子的活性位点，相当于“吸附抓手”）数量达4.34×1015 spins，是R-ZnO（1.95×1015 spins）的2.2倍。

为何（002）晶面氧空位更多？密度泛函理论（DFT）计算揭示，（002）面形成氧空位的能量仅3.07 eV，远低于（100）面的6.02 eV——就像（002）面的“氧原子座位”更容易空出来，自然形成更多“吸附抓手”。这些氧空位能高效吸附并激活CO2分子：CO2在（002）面的吸附能为-0.34 eV，是（100）面（-0.09 eV）的近4倍，意味着（002）面能“抓牢”更多CO2，为反应提供充足原料。

实验验证：产率提升53%，7次循环仍稳定

在130℃、2 MPa反应条件下，P-ZnO催化环氧氯丙烷与CO2反应生成环状碳酸酯的产率达64.7%，较R-ZnO（42.3%）提升53%。更重要的是，P-ZnO表现出优异的稳定性：经过7次循环使用，产率仍保持47.6%，而R-ZnO在6次循环后产率已降至30.7%。

研究发现，催化剂失活主因是氧空位减少——循环使用后，P-ZnO的氧空位浓度下降36.3%，R-ZnO下降30%。这提示未来可通过“补空位”策略（如高温还原处理）恢复催化剂活性。此外，P-ZnO对不同环氧化物均有催化效果，尤其对环氧氯丙烷、环氧溴丙烷等含卤素的环氧化物，产率可达90%以上。

应用前景：为“绿碳”技术提供新路径

该研究首次揭示了ZnO晶面与氧空位、催化活性的关系，为设计高效CO2转化催化剂提供了新思路。未来，通过调控催化剂晶面和氧空位浓度，有望开发出低成本、高稳定性的非均相催化剂，推动CO2资源化利用走向工业化。

来源: 化学工程前沿FCSE