综述：近期在串联催化剂构建策略及二氧化碳加氢制轻质烯烃反应机理方面的研究进展

《Journal of Environmental Sciences》：Recent advances on the construction strategies and reaction mechanisms of tandem catalysts for CO2 hydrogenation to light olefins

　　赵星凌|唐静|姚志文|张宇曦|袁志敏|邰希石|王正|蒋在勇
中国山东省潍坊市潍坊大学化学与化学工程学院及环境工程学院，261061

**摘要**
随着可再生能源的快速发展以及对二氧化碳（CO2）高价值利用的迫切需求，利用氢气将CO2转化为烯烃在学术界和工业界引起了广泛关注。研究人员发现，由于碳链生长过程中C-C键形成的限制，传统催化剂在CO2转化效率及轻质烯烃的选择性方面存在不足。最近，串联催化剂策略逐渐兴起，并被视为克服上述瓶颈的一种有前景的技术。本文综述了CO2氢化生成烯烃的典型串联催化技术的最新进展，包括RWGS-FT（逆水煤气变换-费托合成）串联模型和甲醇中介导的串联过程，对其优化设计及研究进展进行了较为全面的分析。此外，还系统阐述了影响串联催化剂将CO2转化为轻质烯烃活性的关键因素，如催化剂类型、组成、酸性特性以及活性位点的空间分布。最后，基于对上述内容的深入理解，提出了该领域的未来发展方向。本综述为未来高效串联催化剂的设计提供了理论支持和方向指引。

**引言**
过去几十年间，大气中二氧化碳（CO2，一种典型的温室气体）浓度呈上升趋势，已超过400 ppm，导致全球气候变化加剧，如极端天气事件增加、冰雪融化、海平面上升等问题。为应对这一全球性挑战，世界各国政府及科学家开展了大量关于二氧化碳减排与利用技术的研究（Ye et al., 2019; Yuan et al., 2023c; Zhu et al., 2025）。目前，碳捕获、利用与封存（CCUS）被视为实现大规模二氧化碳减排的核心技术途径之一（Chen et al., 2022; Dziejarski et al., 2023; Wang et al., 2018b, 2022c, 2024d; Xin et al., 2021; Zhou et al., 2021），从而减轻二氧化碳带来的生态与环境压力。特别是将CO2转化为高价值化学品可以有效减少二氧化碳排放，并实现含碳资源的循环利用，这对环境净化和可持续能源发展具有重要意义（Wang et al., 2022d, 2023）。
由于CO2具有较高的热稳定性，只有通过额外输入高能量才能将其有效活化。这一因素限制了其作为碳源的广泛工业应用，目前主要应用于尿素合成及其衍生产品的生产（Chehrazi and Moghadas, 2022; Koohestanian et al., 2018）。过去十年中，利用可再生氢能通过氢化将CO2转化为化学品或燃料（如醇类、烯烃和芳香烃等）的相关研究受到了越来越多的关注（Guo et al., 2023a; Hua et al., 2023; Liu et al., 2025; Orege et al., 2023; Yuan et al., 2025c; Zuo et al., 2023）。光催化（Gao et al., 2023; Yuan et al., 2024b; Zhang et al., 2026; Zhu et al., 2024）、电催化（Wang et al., 2015; Zheng et al., 2024）、热催化（Biabangard et al., 2025; Kosari et al., 2023; Lu et al., 2024）和光热催化（Yuan et al., 2024a, 2025b; Zhu et al., 2023b）等技术取得了显著进展。然而，通过光或电实现CO2转化的效率在工业应用方面仍面临挑战。热催化下的CO2氢化被认为是极具前景的策略之一，事实上，CO2氢化生成甲醇的工业化已在多个国家成功实现（Din et al., 2019; Goeppert et al., 2014; Jiang et al., 2020; Li and Chen, 2019; Wang et al., 2011）。轻质烯烃（C2+ 烃类）作为工业生产中不可或缺的基础原料，也可以通过CO2氢化技术获得。由于对其需求的增加，基于CO2催化转化生产轻质烯烃的研究在国内和国际上均受到了高度重视（Gao et al., 2020）。这项研究对于推进碳循环利用和促进绿色低碳发展也具有巨大潜力。大量研究表明，由于传统催化剂表面C-C键形成能量障碍较高，CO2易于转化为CO或CH4（Zhang and Su, 2025），从而导致CO2氢化过程中C2+ 化合物的选择性较低。为高效获得轻质烯烃，提出了两种基于串联转化策略的路线（图2）。一种是RWGS-FT途径：逆水煤气变换（RWGS，CO2 + H2 → CO + H2O，ΔH298 K = 41 kJ/mol）反应产生的CO可以与费托合成（FT，CO + 2H2 → (-CH2-) + H2O → CnH2n + H2O，ΔH298 K = -152 kJ/mol）过程结合，通过Fe基或Co基催化剂将CO2转化为轻质烯烃（Jia et al., 2024; Jiang et al., 2023; Liu et al., 2022, 2024a）。然而，由于缺乏约束效应，传统催化剂在FT合成过程中难以实现轻质烯烃的选择性控制，目标C2+ 产物的选择性受到Anderson-Schulz-Flory（ASF）分布的制约（Han et al., 2023; Jiang et al., 2023; Liu et al., 2024a; Shang et al., 2023; Wang et al., 2021b）。另一种是甲醇中介导的路线：甲醇合成催化剂与沸石催化剂协同作用将CO2转化为轻质烯烃（图2）（Ma and Porosoff, 2019）。在甲醇合成催化剂的作用下，二氧化碳首先发生氢化反应生成甲醇或甲醇中间体，这些中间体进一步通过沸石催化剂转化为轻质烯烃（Dokania et al., 2021; Li et al., 2019; Shang et al., 2023; Tian et al., 2024; Wang et al., 2020b）。基于这两种策略，该领域的研究人员设计并开发了具有多重活性位点的串联催化剂，用于将CO2高效转化为轻质烯烃（Liu et al., 2020b, 2024a; Ojelade and Zaman, 2021; Tan et al., 2021; Wang et al., 2020b; Zhu et al., 2023a）。已有相关综述报道（Aziz et al., 2024; Ding et al., 2025; Han et al., 2025; Jiang et al., 2023; Okoye-Chine et al., 2024; Wang et al., 2026），但尚缺乏对这两种策略差异的系统性比较，包括活性位点的作用机制、界面处的协同效应以及反应条件的适应性，尤其是动态反应环境中活性位点的演变规律。随着该领域的快速发展，新的概念和策略也在不断出现。为提高转化效率，有必要深入了解影响催化剂性能的多种因素。本文回顾了这两种典型CO2氢化生成轻质烯烃途径的最新进展，重点讨论了不同类型双功能催化剂（如用于RWGS-FT过程的Fe基催化剂和用于甲醇中介导途径的氧化物-沸石催化剂）的反应活性及反应机理。基于上述研究进展和当前形势分析，提出了CO2氢化领域的未来机遇与挑战。本文以活性位点的串联效应为核心切入点，深入分析了促进剂类型、载体性质、催化剂组成及活性位点空间邻近性等关键调节因素对串联协同效率的影响，并详细比较了RWGS-FT途径和甲醇中介导途径在活性位点类型、反应顺序及中间体转化规律等方面的本质差异。

**段落摘录**
**通过RWGS-FT过程实现CO2氢化生成轻质烯烃**
轻质烯烃（C2=-C4=）是塑料、橡胶和合成纤维等行业的重要化工原料。目前，这些轻质烯烃主要通过天然气和石油基原料的蒸汽裂解以及烷烃的脱氢反应获得（Li and Wang, 2021; Zuo and Su, 2023）。另一种生产轻质烯烃的方法是通过Fe基催化剂对合成气的催化转化。

**通过甲醇中介导途径实现CO2氢化生成轻质烯烃**
另一种关键的CO2氢化生成轻质烯烃的途径是甲醇中介导的路线，许多研究表明该路线具有高转化效率和良好的选择性，因此被认为是一种极具前景和创新性的策略，吸引了学术界和工业界研究人员的广泛关注（Li et al., 2018; Ma and Porosoff, 2019; Wang et al., 2021b; Zhou et al., 2019; Zhou and Gao, 2022）。该路线通常包括两个连续步骤...

**未来展望与总结**
目前，串联催化策略被认为是直接将CO2转化为轻质烯烃的有效途径。然而，如何提高烯烃的选择性并避免生成CO或CH4等不希望出现的副产物仍是在开发高效串联催化剂过程中的关键问题。本文综述了基于两种典型串联反应途径（图11）的近期进展。对于RWGS-FT途径，Fe基催化剂表现出较高的活性...

**作者利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号22402151、22572148、22376207和22502145）、山东省自然科学基金（项目编号ZR2023MB049和ZR2021QB129）、山东省高等学校青年教师科技创新支持计划（项目编号2025KJG042）、常州市科技创新计划（项目编号CJ20240096）以及中国科学院国际合作计划（项目编号...）的资助。