背景介绍

作为化石燃料消耗废气的主要组成部分，过量的二氧化碳排放加剧了温室效应，对生态系统构成严重威胁。CO₂与环氧化合物之间的环加成反应生成环状碳酸盐是CO₂转化最有效的策略之一。从绿色和可持续化学的角度来看，环加成反应的原子利用率达到100%，还产生环碳酸盐，具有广泛和重要的工业应用价值。大量的CO₂环加成反应催化剂已经被开发出来，包括均相催化剂和非均相催化剂。均相催化剂包括离子液体、金属配合物和多孔聚合物，但合成复杂性、分离和回收困难、苛刻的反应条件和昂贵的单体限制了它们的大规模工业应用。相比之下，多相催化剂(例如分子筛，金属-有机骨架和中孔氧化物)通常具有稳定的结构，可以有效地克服均相催化剂难以分离和回收的问题，但是它们通常需要适当的高温和高压(>120°C和3MPa)来驱动反应。因此，考虑到能源和成本，有必要开发绿色技术来合成易分离的多相催化剂，以促进CO₂与环氧化合物在温和反应条件下的环加成反应。酸碱双功能催化剂催化环加成反应的一般机理是众所周知的。路易斯酸位点可以与环氧化合物中的O原子配位，降低开环所需的能量，加速C-O键的断裂。路易斯碱位点可以激活二氧化碳分子。因此，路易斯酸和路易斯碱共存的催化体系可以有效地促进反应。CeO₂是一种廉价且容易获得的金属氧化物，具有Lewis酸和碱中心，对CO₂环加成反应具有良好的催化活性。然而，现有的用于CO₂环加成反应的CeO₂基催化剂通常需要超过150°C的高温和超过5MPa的高压。因此，我们设想通过调整铈基催化剂中路易斯酸碱中心的强度来进一步降低反应所需的能量。

研究方法

采用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对CeNCl/C催化剂的形貌进行了表征。粉末X射线衍射(XRD)测量材料的晶体结构。X射线光电子能谱(XPS)分析，用于元素含量和状态检测。拉曼光谱（Raman）分析催化剂中载体结构。在不锈钢高压釜反应器内混合测试了材料催化CO₂与环氧苯乙烯的环加成性能，通过GC-MS分析目标产物。NH₃程序升温脱附测试（NH₃-TPD）和CO₂程序升温脱附测试（CO₂-TPD）证实了催化剂中的路易斯酸碱活性位点。CO₂等温吸附测试证实CeNCl/C对CO₂具有更好的亲和力。

成果简介

中国科学院长春应化所张洪杰、宋术岩、汪啸团队采用简单的球磨-煅烧法成功制备了碳负载的CeNCl多相催化剂催化CO₂与环氧苯乙烯的环加成反应。研究发现，相比于CeO₂/C催化剂，CeNCl/C催化剂中具有更强的路易斯酸碱位点和CO₂吸附能力，因此表现出最佳的催化性能。在CO₂与环氧苯乙烯的环加成反应中产率高达92.7%，选择性高达96.7%，在6次循环试验(相当于216小时的试验)中表现出良好的稳定性。通过综合研究表明，CeNCl/C含有Lewis酸碱中心作为活性中心，可以有效降低反应底物开环所需的能量障碍，同时增强CO₂的吸附和活化，并促进中间体的形成，从而获得优异的催化活性。

成果简介

中国科学院长春应化所张洪杰、宋术岩、汪啸团队采用简单的球磨-煅烧法成功制备了碳负载的CeNCl多相催化剂催化CO₂与环氧苯乙烯的环加成反应。研究发现，相比于CeO₂/C催化剂，CeNCl/C催化剂中具有更强的路易斯酸碱位点和CO₂吸附能力，因此表现出最佳的催化性能。在CO₂与环氧苯乙烯的环加成反应中产率高达92.7%，选择性高达96.7%，在6次循环试验(相当于216小时的试验)中表现出良好的稳定性。通过综合研究表明，CeNCl/C含有Lewis酸碱中心作为活性中心，可以有效降低反应底物开环所需的能量障碍，同时增强CO₂的吸附和活化，并促进中间体的形成，从而获得优异的催化活性。

图文导读

图1 合成示意图和结构表征。

图2催化性能表征。

作者简介

汪啸：国家海外引进人才（青年项目），中国科学院长春应化所研究员，博士生导师。2013年在中国科学院长春应化所获得理学博士学位，导师为张洪杰研究员。2017年起先后在新加坡，美国和韩国开展博士后研究。2021年1月入职中国科学院长春应化。主要研究方向为新型高性能稀土催化材料与能源环境催化。先后获得2014年中国科学院院长优秀奖，2015年中国科学院杰出科技成就集体奖（主要完成者），2016年中国稀土学会优秀工作者，2021年吉林省长白山学者青年拔尖人才等荣誉。

宋术岩：国家杰青，中国科学院长春应化所研究员，博士生导师，稀土资源利用国家重点实验室副主任。围绕稀土催化材料表面态结构精细调控难题，致力C1小分子转化、VOCs消除、选择性加氢等先进催化材料的研究工作。近5年以第一作者或通讯作者在国内外权威期刊发表80余篇 SCI论文，包括Chem. Soc. Rev., Angew. Chem. Int. Ed., Chem, Adv. Mater.等，在高性能稀土催化材料功能导向设计合成、能源环境催化应用上取得多项研究进展。2015年首批入选中国科学院青年创新促进会优秀会员；2018年获中国石油和化学工业联合会科学技术一等奖（排名第二）；2018年入选中国化学会青年化学工作者委员会委员；2021年获得第十六届吉林省青年科技奖特别奖。

张洪杰：国家973项目首席科学家。长期从事稀土功能材料的研究，以材料的结构与功能关系为研究重点，致力于解决影响学科发展的关键科学问题，发展了系列材料制备的新方法和技术，并将基础、高技术及应用研究有机结合，研制出的稀土新材料已成功应用于汽车、照明、航天航空和国防军工等领域，满足了国家的重大战略需求。以第一作者或通讯作者及共同通讯作者发表SCI收录论文500余篇，发表论文被他人引用近40000次；主办国内外学术会议12次，国内外大会和邀请报告72次；10种国内外权威期刊的副主编、编委或顾问编委；已授权发明专利79项，包括美国专利2项，欧盟十国专利1项，日本专利1项，国防专利1项；以第一完成人获2010年国家自然科学二等奖、2007年吉林省科技进步一等奖、2013年吉林省技术发明一等奖、2015年吉林科学技术特殊贡献奖以及2015年中国科学院杰出科技成就集体奖各1项。现任中国稀土行业协会理事长，973首席科学家，英国皇家化学会士，是中国科学院长春应化所无机化学学科和稀土资源利用国家重点实验室学术带头人。1997年获国家杰出青年基金，1998年获香港求是基金会杰出青年学者奖，2010年入选国家基金委创新群体学术带头人，2013年获吉林省政府创新创业人才奖。学术成就突出，并且在学科发展、人才凝聚及国家重点实验室建设等方面做出了重要的贡献。

文章信息

Liu L, Zhang L, Chu X, et al. Carbon-supported CeNCl as an efficient catalyst for CO₂ cycloaddition. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907028.