综述：通过改性及先进技术提升铜基催化剂在RWGS反应中的催化性能

《Applied Catalysis A: General》：Enhanced catalytic performance of Cu-based catalysts in the RWGS reaction through modification and advanced technologies

　　

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  铜基逆水煤气变换催化剂的两种机制：氧化还原途径与缔合途径。
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  由于熵稳定效应，铜基高熵催化剂能够抑制高温下活性物质的烧结。
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  碱金属和碱土金属会形成铜添加物界面，从而有利于甲酸生成路径并抑制一氧化碳优先于氢气被还原。
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  促进剂在调控铜基逆水煤气变换催化剂方面起着关键作用，且可通过多种机制发挥作用。
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  等离子体催化与光热催化可在温和条件下促进二氧化碳的活化。

引言

随着工业化进程的加快以及化石能源的大量消耗，大气中的二氧化碳浓度持续上升，已成为导致全球气候变暖的主要因素之一[1]、[2]。将二氧化碳转化为CO、CH?和甲酸等高价值化学品及燃料，不仅有助于缓解温室效应，还能实现碳资源的循环利用，对于构建可持续发展的低碳社会具有重要意义[3]。作为C1化学中的关键反应之一，逆水煤气变换反应能够将二氧化碳与氢气转化为合成气中的核心组分CO。作为活性分子中间体，CO还可通过费托合成工艺进一步转化为液体燃料、烯烃和芳香族化合物等多种高附加值化学品，从而建立起“二氧化碳/氢气-化学品/燃料”的闭环碳循环系统[4]、[5]。然而，二氧化碳分子具有高度对称的线性结构，热力学稳定性极高，其C=O键的键能约为799千焦/摩尔[6]，因此很难被活化，存在较强的动力学惰性。目前，二氧化碳的工业利用率还不到其年排放量的0.1%，远远无法满足减少碳排放和充分利用碳资源的双重需求[7]、[8]。

钯、铂、钌和铑等贵金属催化剂因其高活性和高稳定性而备受关注，在该反应中得到了广泛应用[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。但由于成本高昂且性能存在局限，这类催化剂难以在工业上大规模应用。为突破这一瓶颈，研究人员开始探索铜、钼、镍、钴和铁等非贵金属体系，这类材料具备出色的催化活性、选择性和较高的成本优势[14]、[15]、[16]。其中，铜基催化剂因其优异的CO选择性、较宽的工作温度范围以及较强的抗积碳能力而表现突出[17]、[18]。此外，铜活性组分与载体之间的协同作用进一步提升了他的经济可行性，更符合可持续发展和工业应用的要求[19]。

目前已有不少综述文章围绕铜基逆水煤气变换催化剂展开研究，涉及电燃料、理论计算、外场驱动反应等领域[20]、[21]、[22]、[23]、[24]（见图1）。不过，针对铜基逆水煤气变换催化剂的系统性总结仍然较少，尤其是那些侧重于催化剂结构-活性关系与反应机理的研究更为匮乏。本文以铜基逆水煤气变换催化剂为核心，全面总结了其在催化剂设计合成、结构-活性关系、反应机理以及性能提升策略方面的最新研究成果，同时分析了当前研究面临的挑战与未来发展方向，为高效铜基逆水煤气变换催化剂的设计提供理论指导。

近年来，研究人员通过多种策略对铜基逆水煤气变换催化剂的性能进行了优化，包括精确调控活性位点、筛选新型促进剂、设计功能化载体以及创新催化途径等，这些努力显著提升了催化剂的活性、选择性和稳定性[25]、[26]、[27]、[28]。然而，目前关于铜基逆水煤气变换催化剂的研究大多仍处于实验室阶段，在深入阐明催化机理、提升长期稳定性以及实现新兴催化技术的规模化应用等方面仍存在诸多亟待突破的瓶颈。因此，系统总结铜基逆水煤气变换催化剂的研究进展，深入探究其催化机理、合成策略和反应途径，对于推动高性能铜基逆水煤气变换催化剂的设计与发展及其工业应用，进而助力实现“双碳”目标具有重要的理论意义和实用价值（见图2）。

章节要点

铜基催化剂上逆水煤气变换反应的机理

铜基催化剂上逆水煤气变换反应的机理极为复杂。主导的反应途径会受到反应条件（温度、压力）以及催化剂性质（载体类型、铜的价态、颗粒大小等）的显著影响。目前公认的主要机理包括氧化还原机理和缔合机理，而实际反应过程往往涉及多种机理的协同作用[29]、[30]、[31]。逆水煤气变换反应

铜基催化剂的结构设计与性能优化

为提升铜基体系在逆水煤气变换反应中的催化性能，研究人员提出了多种结构设计及优化策略，包括调控铜物种的颗粒大小与分散状态、构建双金属合金、设计单原子催化剂、开发高熵催化剂，以及通过引入促进剂和载体来改进催化剂性能。以下将对这些策略分别进行分析与讨论

提升铜基催化剂逆水煤气变换反应性能的技术

除了对催化剂进行结构设计与优化之外，将铜基催化剂与先进技术相结合也能进一步提升逆水煤气变换反应的性能。目前研究较多的强化技术包括等离子体催化、光热催化、磁场增强以及膜分离耦合技术。这些技术能够克服传统热催化存在的能耗高、效果差等问题

结论与展望

作为二氧化碳价值化利用的关键技术之一，逆水煤气变换反应能够高效地将二氧化碳和氢气转化为CO。所得到的CO可作为甲醇合成、费托合成以及高铝炼铁等下游工业过程的多元原料，对于实现“双碳”目标具有重要的战略意义。铜基催化剂凭借成本低、CO选择性高以及在适中条件下的良好适用性等优点

作者贡献说明

谭欣怡：实验研究。王德松：初稿撰写、项目管理、数据分析。李国柱：初稿撰写、实验研究、数据分析。肖振荣：初稿撰写、课题指导、资金申请。谢康：实验研究、数据分析。张乐石：实验研究、数据分析。韩新雷：初稿撰写、软件应用、实验研究、数据分析。张晨：实验研究、数据分析。邱瑞聪：数据分析。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

致谢

本研究得到了河北省自然科学基金（编号B2024203016）、秦皇岛市关键研发计划（编号202401A008）、国家自然科学基金（编号22278349）、中国政府引导的地方科技发展专项项目（编号246Z1502G）以及河北省应用化学重点实验室运行绩效补助金（编号22567616H）的支持。

Xinlei Han|Kang Xie|Leshi Zhang|Chen Zhang|Ruichong Qiu|Xinyi Tan|Guozhu Li|Zhourong Xiao|Desong Wang