借助绿氢将CO2资源化利用转化为高附加值的多碳醇，不仅可以缓解对化石资源的过度依赖、保障国家能源安全，还有助于“双碳”目标的实现。CO2加氢制多碳醇反应网络极其复杂，涉及C–O键的解离与非解离活化、含氧物种向碳链的插入，以及C–C偶联驱动的碳链增长等关键步骤。这要求催化剂同时具备C–O键解离活化与C–O键非解离活化的双功能特性，并在纳米尺度构筑高密度、强协同的双活性位界面。然而，现有催化体系仍面临含氧中间物种供给不足、界面C–C偶联效率低下等问题，产物多以乙醇为主，而更具附加值的C3+醇选择性与收率长期处于低位，严重制约了CO2的高值化利用。
针对上述挑战，中国科学院上海高等研究院(以下简称“上海高研院”)绿色碳科学团队深耕多相催化界面调控与反应机制研究，积累了系统性的前期成果。团队率先通过铁锌催化体系的物相精准调控，首次实现了CO2加氢产物从甲醇向乙醇、丙醇等多碳醇的选择性合成，揭示了ZnZrOx/Fe5C2界面驱动C–C偶联、定向生成多碳醇的核心机制(Chem 2024, 10, 2245)。此后，通过调控TiO2晶相组成，成功构筑了高效RhFeOx/P25催化体系，实现了CO2加氢高选择性制乙醇(ACS Catal. 2024, 14, 17582)。在此基础上，进一步创制了单团簇结构RhSC/CN催化剂，突破了纳米催化剂活性原子利用率低、单原子催化剂反应活性不足的固有难题(Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202516545)，显著提升了乙醇选择性与时空收率。
近日，该团队在CO2加氢制C3+醇研究中取得突破性进展。团队创新提出界面强化协同催化策略，引入与铁基催化剂反应窗口高度匹配且更利于高温CO2加氢合成甲醇的ZnZrOx固溶体，通过原位构筑ZnZrOx–Fe5C2高效催化界面，破解了含氧中间体供给不足、碳物种偶联效率偏低的瓶颈，实现了C3+醇的高效生成。结合原位表征与理论计算，系统揭示了多组分界面协同作用机制：ZnZrOx不仅促进铁活性物种高度分散，还稳定供给C1含氧中间体，为碳链增长提供关键含氧物种;原位生成的Fe5C2负责高效解离CO，持续供给烷基物种;碱金属K一方面诱导高活性Fe5C2的形成，另一方面精准调控界面微环境、降低C–C偶联能垒，从而显著提升C–C偶联效率。在320 °C、5.0 MPa、2000 mL·gcat−1·h−1条件下，FeK/ZnZr催化剂可实现32.1%的C2+醇选择性与16.6%的C3+醇选择性，C3+醇收率达7.0%(创文献报道新高)。
该催化剂在超过500小时的连续运行中性能稳定，成型催化剂的模试评价进一步确认了其工业放大潜力。技术经济性分析显示，基于实验数据模拟的年产12万吨工艺方案(产物含6万吨醇、3.4万吨烯烃及2.6万吨烷烃，其中C3+醇占总醇约40 wt%)，年运营成本为5.86亿元，其中原料成本占比高达81%，H2(8元/千克)与CO2(265元/吨)分别占原料费用的80.5%和19.5%。年销售收入达10.70亿元，实现毛利润4.84亿元，得益于催化剂优异的C3+醇产率，较乙醇单产路线经济指标提升47.1%。敏感性分析表明，当CO2价格为300元/吨时，氢气价格只需低于18.49元/千克，该工艺即可盈利。目前工业副产氢已具成本优势，电解水制氢则需整合廉价绿电以降低成本和碳足迹;未来碳税政策的实施将进一步降低CO2净成本，拓宽利润空间。该工作深入阐明了多相界面的协同催化机制，不仅为CO2加氢过程中的界面结构设计及反应路径精准调控提供了新范式，也为CO2资源化高效转化与规模化制备高值多碳醇提供了变革性路径。
该研究成果于6月12日以“Interface engineering of Fe-based multifunctional catalysts for selective CO2 hydrogenation to C3+ alcohols”为题在线发表在《Chem》杂志上(Chem, 2026, 12, DOI: 10.1016/j.chempr.2026.103102)。论文的第一作者为杨海艳副研究员，共同一作为上海高研院/中国科学院大学博士生杨莉萍、河北科技师范学院党雅茹、沈国飞副研究员，通讯作者为高鹏研究员。理论计算工作由李圣刚研究员带领团队完成，同步辐射X-射线吸收、原位漫反射傅里叶变化红外光谱表征通过与上海高研院上海光源李炯研究员和吉特副研究员在BL11B、BL06B线站开展合作研究完成，原位同步辐射真空紫外光电离质谱表征通过与中国科学技术大学刘成园副教授团队在合肥光源BL04B线站合作完成。该研究工作得到中国科学院战略性先导科技项目、国家自然科学基金重大项目与上海市自然科学基金面上项目的资助。
图1. K修饰ZnZrOx–Fe5C2界面上CO2加氢制多碳醇反应机理示意图
