如何让“顽固”的CO₂分子乖乖“变身”为高价值化学品？我国科研团队找到新突破口——通过调控氧化锌（ZnO）催化剂的“晶体面孔”，让其表面氧空位数量翻倍，从而将CO₂与环氧化物反应生成环状碳酸酯的产率提升53%。这项研究首次揭示了ZnO晶面取向与催化性能的关系，为设计高效CO₂转化催化剂提供了新思路。相关成果发表于《Frontiers of Chemical Science and Engineering》。

碳中和“拦路虎”：CO₂转化效率低、催化剂“短命”

CO₂是主要温室气体，也是潜在的碳资源。将其转化为环状碳酸酯等化学品，既能减排又能创造经济价值，被视为碳中和的重要路径。但CO₂分子极其稳定，反应需高温高压，且传统催化剂存在两大痛点： homogeneous催化剂（如离子液体）活性高但难回收，多相催化剂（如金属氧化物）易分离却活性不足。

ZnO作为低成本金属氧化物，近年崭露头角，但其催化性能“飘忽不定”。研究发现，这与ZnO晶体表面的“面孔”——晶面密切相关。不同晶面的原子排列方式不同，就像不同形状的“吸附口袋”，能捕获的分子种类和数量大相径庭。此前，ZnO晶面如何影响CO₂环加成反应，一直是未解之谜。

给ZnO“整容”：纳米片比纳米棒多“抓”55%氧空位

内蒙古工业大学团队通过水热法，制备出两种ZnO催化剂：一种是片状（P-ZnO），表面主要暴露（002）晶面；另一种是棒状（R-ZnO），以（100）晶面为主。电子顺磁共振（EPR）测试显示，P-ZnO的氧空位（表面缺失氧原子的“活性抓手”）数量达4.34×10¹⁵ spins，比R-ZnO（1.95×10¹⁵ spins）多55%。

为何（002）晶面氧空位更多？密度泛函理论计算显示，（002）面形成氧空位的能量仅3.07 eV，比（100）面（6.02 eV）低近一半。就像（002）面的氧原子“座位”更宽松，更容易空出来，自然形成更多“抓手”。这些“抓手”对CO₂吸附能力更强：（002）面吸附能为-0.34 eV，是（100）面（-0.09 eV）的3.8倍，意味着能“抓牢”更多CO₂分子参与反应。

实验室实测：产率64.7%，7次循环仍“在线”

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%，远超R-ZnO的42.3%。更关键的是稳定性：P-ZnO循环使用7次后产率仍有47.6%，而R-ZnO在6次循环后就降至30.7%。

研究发现，催化剂“疲劳”主因是氧空位减少。循环后P-ZnO的氧空位浓度下降36.3%，但因初始“库存”足，仍能维持活性。此外，P-ZnO对含卤素的环氧化物（如环氧溴丙烷）表现突出，产率超90%，显示出良好的底物适应性。

应用前景：低成本催化剂助力“绿碳”经济

该研究为CO₂资源化利用提供了新方案。未来通过调控催化剂晶面和氧空位，有望开发出高效、稳定的非均相催化剂，降低环状碳酸酯的生产成本。环状碳酸酯是锂电池电解液、医药中间体的关键原料，需求旺盛，这项技术的产业化将推动“绿碳”经济发展。

来源: 化学工程前沿FCSE