当全球能源结构加速向非化石转型，如何将煤、生物质等转化为高附加值化学品成为行业痛点。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与稳定性的催化剂，实现合成气（CO和H₂）直接转化制备高级醇（C₂⁺醇），高级醇选择性达45.8%，连续运行36小时活性无衰减，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》，为非化石资源高效利用提供新路径。

传统催化剂“短命”又“偏心”，晶相调控让活性位点“长效协作”

高级醇是制备塑料、洗涤剂的关键原料，传统依赖石油裂解，而合成气可从煤、秸秆等非化石资源获得，直接转化路线更低碳环保。但这一过程需催化剂同时激活“CO解离”和“CO非解离吸附”双反应，就像“左手切菜右手炒菜”，传统钴基催化剂常因活性位点失衡导致“顾此失彼”——要么生成大量甲烷（副产物占比超50%），要么运行几小时就失活。

“问题根源在于活性位点易团聚。”研究团队解释，传统CoO为八面体配位结构，活性位点像“松散的沙子”易流失；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），前者转化为解离CO的金属钴（Co⁰），后者保留非解离吸附的Co²⁺，通过调控两者比例可让活性位点“长效协作”。

晶相比例“黄金配比”：40% W-CoO实现活性与稳定性双赢

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，负载于SiO₂后发现：

• Z-CoO是“稳定剂”：闪锌矿型CoO像“锚定桩”，通过强金属-载体相互作用固定Co²⁺位点，抑制团聚。实验显示，Z-CoO占比60%时，Co²⁺保留率提升2.3倍；
• W-CoO是“活性助推器”：纤锌矿型CoO转化的hcp-Co（六方密堆积钴）比传统fcc-Co（面心立方钴）的CO解离活性高3倍，像“高效切菜工”加速反应；
• 40% W-CoO为“黄金配比”：此时Co²⁺/Co⁰比例最优，CO非解离吸附与解离位点“分工明确”，高级醇选择性达45.8%，CO转化率38.0%，且连续运行36小时后活性仅下降2.1%，远超传统催化剂（10小时衰减15%）。

性能“三维突破”：选择性、产率、稳定性全面超越传统催化剂

对比现有技术，新催化剂展现“全优”性能：

• 选择性“碾压”：高级醇在总醇中占比84.1%，甲醇仅15.2%，避免传统催化剂“偏爱”甲醇的弊端；
• 产率“领跑”：高级醇时空产率7.9 mmol·gcat⁻¹·h⁻¹，是工业级Cu-Co催化剂的2.4倍；
• 稳定性“扛打”：在含硫模拟合成气中运行，硫中毒速率比传统催化剂降低60%，解决工业气杂质敏感难题。

“这相当于给催化剂装了‘双保险’：Z-CoO抗团聚，W-CoO提活性。”团队通过球差电镜观察发现，反应后催化剂仍保持28 nm均匀粒径，Co²⁺与Co⁰位点“毗邻而居”，未出现分离。

从实验室到产业化：非化石资源转化的“绿色钥匙”

该技术已通过中试放大验证，未来可广泛应用于：

• 生物质转化：秸秆气化合成气制醇，每吨生物质可产300 kg高级醇，碳排放较石油路线减少40%；
• 煤化工升级：煤制合成气一步制醇，省去传统“合成气→甲醇→高级醇”的多步流程，能耗降低25%；
• 绿氢耦合：利用可再生能源制氢与CO₂反应，直接制备低碳燃料，助力“负碳”能源系统。

论文通讯作者王跃表示：“四配位CoO的晶相调控策略，为设计‘活性-选择性-稳定性’兼具的催化剂提供了普适思路。”目前团队正开发机械化学合成工艺，目标将催化剂成本降低50%，推动工业化应用。

来源: 化学工程前沿FCSE