作者：Biao Zhou, Yuxuan Xie, Chunxue Wang, Kunlin Li, Shuangyou Bao, Xin Sun, Xiaofeng Huang, Ping Ning, Kai Li, Lei Shi*, Fei Wang*

01 论文信息

论文信息

Biao Zhou, Yuxuan Xie, Chunxue Wang, Kunlin Li, Shuangyou Bao, Xin Sun, Xiaofeng Huang, Ping Ning, Kai Li, Lei Shi and Fei Wang. The key role of catalyst structure adjustment and optimization in the Reverse Water-Gas Shift Reaction[J].Green Carbon, 2025.

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https://doi.org/10.1016/j.greenca.2025.08.004

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The key role of catalyst structure adjustment and optimization in the Reverse Water-Gas Shift Reaction

中文解读原链接

Green Carbon文章 | 催化剂结构设计在逆水煤气变换反应中的关键作用

02 背景简介

近年来，全球能源消耗相关的CO₂排放量持续增长，2023年排放量已达374亿吨，创下历史峰值，直接导致全球平均气温较工业革命前上升1.1℃。为落实《巴黎协定》提出的全球控温目标，开发高效、稳定的CO₂转化技术已成为当前能源与环境领域的研究重点。逆水煤气变换（RWGS）反应凭借其独特的碳循环闭合特性，成为连接CO₂捕获与高值化学品合成的核心纽带，不仅在化工合成、可再生能源储存等工业领域具有重要应用潜力，同时也是深空探索中资源原位利用的关键技术环节。

尽管RWGS反应具有显著的应用价值，但其工业化进程仍受两大核心挑战制约：一是反应机理复杂，CO₂分子具有极高的热力学稳定性，其活化过程涉及多步电子转移与化学键重构，活化路径尚不明确；二是副反应难以控制，在富氢反应体系中，产物CO易发生深度加氢反应生成CH₄等副产物，不仅降低目标产物选择性，还会导致催化剂积碳、活性位点流失，进而引发催化剂失活，严重限制了该反应的大规模工业化应用。

在此背景下，昆明理工大学王飞教授与施磊副教授团队于Green Carbon发表题为“The key role of catalyst structure adjustment and optimization in the Reverse Water-Gas Shift Reaction reaction”研究论文。该文章系统讨论负载型金属催化剂在RWGS反应中的构效关系，揭示强金属-载体相互作用、氧空位等关键因素对反应路径及选择性的调控机制。该文章为开发高活性、高选择性RWGS催化剂提供了重要理论指导与设计方向。

03 文章简介

RWGS反应机理得到深化认识

大量研究表明RWGS反应主要遵循氧化还原和关联两种机制。关键发现在于，金属表面的氧结合能可作为有效的描述符，用于预测主导反应路径：金属与氧的相互作用越弱，CO₂的直接加氢（缔合机制）越容易发生，而非解离（氧化还原机制）。

图1. CO₂和H₂在金属表面发生催化分解；通过氧化还原反应生成CO和H₂O；甲酸途径会产生CO和H₂O；羧酸途径会产生CO和H₂O

强金属-载体相互作用（SMSI）

研究发现通过构建SMSI，可诱导载体对金属纳米颗粒的封装与电子转移，不仅能有效稳定活性位点、防止高温烧结，更能改变CO₂的活化位点与路径，例如在Ni/Ga₂O₃界面将中间体由甲酸盐转变为羧基，从而提高产物CO选择性。

图2. SMSI的作用机制

氧空位（Oᵥ）的关键作用

研究证实氧空位是CO₂吸附与活化的关键位点，其浓度与RWGS反应活性呈线性正相关。氧空位既能直接解离CO₂，也能作为桥梁促进金属-载体间的电子协同，同时还可诱导SMSI效应，是实现高性能催化的核心因素之一。

图3. Au/TiO₂氧空位富催化剂反应图

金属纳米颗粒粒径效应

研究揭示了该反应具有显著的结构敏感性。小尺寸金属簇（乃至单原子）有利于CO的生成，因其CO吸附较弱且易于形成关键中间体；而大尺寸颗粒则因其更强的H₂解离能力和CO吸附强度，更倾向于发生深度加氢生成CH₄。

图4. Ni/SiO₂催化剂上CO₂加氢反应的推测反应机理

双金属协同效应的多元化应用

通过构建合金、核壳结构等双金属催化剂，可利用电子效应和几何效应优化反应中间体的吸附强度，在提高活性金属分散度和稳定性的同时，有效抑制副反应，从而协同提升催化活性与CO选择性。

图5. 双金属催化剂协同调控CO₂加氢反应活性与CO选择性的作用机制

未来研究趋势

1.走向多机制共存与动态活性位点研究

未来研究将不再满足于单一机制的确认，而是致力于揭示氧化还原与关联机制在不同催化剂结构上的共存与竞争关系。重点是利用瞬态动力学、原位谱学技术与理论计算相结合的方法，动态捕捉反应条件下活性位点的结构演变及中间体的生成与转化动力学。

2.催化剂设计向原子级结构优化和多种方案结合的方向发展

具有独特电子结构和最大原子利用率的单原子催化剂是揭示RWGS原子级反应机理和开发高效催化剂的重要方向。同时，基于对结构-活性关系的深入理解，通过多元金属协同、缺陷工程（如氧空位）与SMSI效应的综合设计，将成为构建兼具高活性、高选择性和高稳定性的下一代催化剂的关键策略。

3.聚焦工业应用瓶颈，开发高稳定性催化剂体系

为实现RWGS技术的工业化，研究重点将从单纯追求实验室条件下的高性能，转向解决高温烧结、原料气中毒（硫、卤素等）、积碳失活等实际工程瓶颈。未来将着力于设计抗烧结的限域结构（如分子筛封装、核壳结构）、引入抗毒组分、以及设计高氧存储能力的动态载体，以开发出在经济性和寿命上均满足工业需求的催化剂体系。

图6. 未来RWGS反应的研究方向

总结与展望

本文系统阐述了RWGS反应中催化剂组成、结构（如SMSI、氧空位、粒径及双金属效应）与反应机理及性能间的构效关系，深化了对催化剂设计的理解。为实现高效CO₂转化，未来研究需融合多尺度表征与理论计算，动态解析活性位点；并着力于科学设计兼具高活性、高选择性与卓越稳定性的催化剂，重点解决工业化应用中的烧结、中毒及积碳等瓶颈。通过多学科交叉与材料创新，推动RWGS技术在碳中和技术链条中发挥关键作用。

04 作者简介

王飞 教授

王飞，教授，博士研究生导师，2025年度“环境保护科学技术奖”青年科学家奖，云南省优秀青年基金获得者，云南省“兴滇英才支持计划”青年人才，Green Carbon青年编委，博士毕业于中国科学院生态环境研究中心环境科学专业。主要研究方向为环境催化功能材料的研究与设计、移动源/固定源废气净化及资源化利用、重金属废水处理及资源化。目前共发表学术论文100余篇，其中以第一/通讯作者在Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Environmental Science & Technology、Applied Catalysis B: Environmental and Energy、ACS Catalysis等国际高水平期刊上发表SCI论文40余篇。

施磊 副教授

施磊，副教授，硕士研究生导师，云南省“兴滇英才支持计划”青年人才，博士毕业于昆明理工大学有色金属冶金专业。主要研究方向为冶金及化工废物资源化利用、外场强化资源综合回收、有色金属高纯制备。主持国家自然科学基金等科研项目10余项、发表第一/通讯作者学术论文20余篇、出版学术专著1部。获授权发明专利10余件，其中国外发明专利1件。参与制定团体标准1项。获中国化工学会科学技术奖一等奖1项、中国有色金属工业科学技术二等奖1项、中国发明协会一等奖1项。

05 Green Carbon

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