当全球能源结构向非化石能源转型，如何高效将煤、生物质等转化为高附加值化学品成为关键。我国天津大学、新加坡国立大学联合团队最新研究显示，通过调控氧化钴（CoO）的晶相结构，成功制备出兼具高活性和选择性的催化剂，实现合成气（CO和H₂混合气）直接制备高级醇，高级醇选择性达45.8%，最高时空产率达7.9 mmol·gcat⁻¹·h⁻¹。相关成果近日发表于《Frontiers of Chemical Science and Engineering》。

传统催化剂像“偏心厨师”，新方法让活性位点“协同工作”

高级醇（C₂⁺醇）是重要的燃料添加剂和化工原料，传统依赖石油化工路线，而合成气可从煤、生物质等非化石资源获得，直接转化制备高级醇更经济环保。但这一过程需催化剂同时具备“CO解离”和“CO非解离吸附”双活性位点，就像“厨师既要切菜又要炒菜”，传统钴基催化剂要么活性低，要么选择性差（高级醇占比不足30%）。

“问题出在活性位点比例失衡。”研究团队解释，传统CoO催化剂多为八面体配位结构，CO解离和非解离吸附位点难以匹配。而四配位CoO（类似“分子级乐高”）有两种晶相：纤锌矿型（W-CoO）和闪锌矿型（Z-CoO），前者易生成解离CO的金属钴（Co⁰），后者则保留更多非解离吸附的Co²⁺，像“两种不同工种的工人”，调控两者比例可优化双活性位点。

晶相调控“ Goldilocks法则”：找到活性位点最佳配比

团队通过热分解法制备出不同晶相比例的四配位CoO纳米晶，再负载于SiO₂上。关键创新在于：

• 晶相比例“精准调”：通过改变溶剂（十八烯或二苄醚）和回流时间，调控W-CoO与Z-CoO比例。当W-CoO占比40%（0.4W-CoO/SiO₂）时，Co²⁺/Co⁰比例最优，CO非解离吸附与解离位点“分工明确”。
• 活性位点“协同强”：Z-CoO保留的Co²⁺负责“抓牢”CO分子（非解离吸附），W-CoO转化的Co⁰促进CO解离为CHₓ*，两者 proximity（邻近度）适宜，避免“各干各的”。实验中，该催化剂CO转化率达38.0%，高级醇在总醇中占比84.1%，远超传统催化剂。

性能“逆袭”：高级醇选择性提升50%，产率达7.9 mmol·gcat⁻¹·h⁻¹

对比传统钴基催化剂，新催化剂表现亮眼：

• 选择性“跳级”：高级醇选择性从传统的30%左右提升至45.8%，避免生成大量甲烷等副产物；
• 产率“领跑”：高级醇时空产率达7.9 mmol·gcat⁻¹·h⁻¹，是未优化催化剂的1.3倍；
• 稳定性“扛打”：在模拟合成气中连续运行36小时，活性无明显衰减，Co²⁺与Co⁰比例保持稳定。

“这就像给催化剂装了‘智能调度系统’，让两种活性位点高效配合。”团队指出，通过X射线光电子能谱等表征发现，Z-CoO占比越高，Co²⁺保留越多，CO非解离吸附增强，高级醇选择性提升；而W-CoO增加会生成更多Co⁰，促进CO转化但可能导致副反应，需精准平衡。

从实验室到工厂：非化石能源转化添新路径

该研究为合成气制高级醇提供了新范式，未来可通过机器学习进一步优化晶相比例，降低制备成本。论文通讯作者王跃表示：“四配位CoO的晶相调控策略，为设计高效双功能催化剂提供了新思路，有望推动煤、生物质基合成气转化工业化，助力我国能源安全和‘双碳’目标。”

来源: 化学工程前沿FCSE