CO2 高值化利用新途径

大气中CO2浓度逐年升高，而其高值化利用是实现减排的重要途径之一。低碳烯烃是重要的化工原料， CO2作为碳源加氢制取烯烃（CTO）是缓解化石能源的消耗及温室效应的有效方法之一。铁基催化剂因其优异的 催化反应性能，被视为该反应最具应用前景的催化剂之一；但铁基催化剂烯烃选择性仍有待进一步提高。本文综 述了铁基催化剂CTO反应研究进展，包括反应热力学分析、理论模型、催化剂设计与开发 （助剂和载体对催化 剂结构及性能的影响）、反应机理、构-效关系、失活机理等；提出未来催化研究方向，即借助Operando技术聚 焦反应过程中催化剂活性相的动态结构变化规律，探究外界因素引起的催化材料表界面的作用机制，为工业催化 剂的理性设计提供思路。

CO2资源化利用制取的高附加值化学品主要包 括甲醇、甲酸、二甲醚、烯烃、高碳醇、液体燃料 等 （图1），而这些高附加值化学品的生产过程 中皆需借助 H2作为原料。目前，化工领域氢气的 来源除去煤化工用煤和水生产合成气（C+H2O）的 方法外，还包括石油气炼化裂化、氨分解、氯碱工 业以及甲醇重整及炼焦炉废气（焦炉气中氢气成分 占比55%～60%） 等 。由此可见，中国当前化工 工业具有强大和广泛的制氢基础。上述产氢过程中 富余的氢气可作为部分CO2加氢资源化利用的H2来 源。根据莫尼塔研究报道，2015 年国内副产氢气 的商用剩余量约 40 万吨/年。此外，中国有近 200 万吨/年的潜在专业制氢富余产能可做后续氢源供应 。在不考虑物流运输带来额外费用的前提下， 国内每年总计约有240万吨的氢气供应无需新增资 本投入便可加以利用 。因此，在当前中国氢能经济发展的初期阶段，可在副产氢充足的地区 进行CO2加氢制备高附加值化学品。

在开发可应用于工业反应的高性能CO2加氢制取烯烃的Fe基催化剂的过程中，首先要在分子水平上准确认识催化剂的活性相组成、活性中心的形成过程以及可导致催化剂失活的诱因。通过研究催化剂在反应过程中的构-效关系，指导催化剂的设计和开发，不仅可以提高催化剂的研发效率，对其他工业催化剂开发也具有指导和借鉴意义。考虑到催化反应通常发生在材料的表界面，因而催化反应性能主要由参与反应的表界面结构性质决定。在工业反应过程中，尤其是类似于CO2加氢制取低碳烯烃这类高温、高压以及多种反应物共存的反应体系，催化剂结构往往会发生重构，甚至某些反应活性位只能在特定的反应环境下形成，随着反应时间或条件的变化可能还会导致催化剂失活。由此可见，在真实工业反应条件下，催化材料的表面结构具有显著的动态性。人们可以利用Operando技术对于反应的动态过程进行原位监测，特别是外界因素（如高温、高压等）所引起的催化材料表界面结构演化规律及作用机制，有望揭示其全生命周期内各种影响因素，为工业催化剂开发和设计提供方向。

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