借助綠色氫氣將CO2轉化為化工生產的重要原料低碳烯烴（乙烯、丙烯、丁烯），不僅助力相關行業實現碳達峰，還將有力助推碳中和目標的實現，因而備受國內外研究者的廣泛關注。近年來，上海高研院中科院低碳轉化科學與工程重點實驗室針對CO2高效活化與加氫定向轉化的關鍵科學問題與科技難點，系統開展了CO2選擇性合成低碳烯烴的研究工作，取得了一系列重要研究成果。
針對CO難活化和碳-碳偶聯能壘高等問題，借鑒反應耦合的策略，2017年研究團隊成功設計氧化銦/分子篩（In）雙功能催化劑，國際上率先實現了CO加氫一步高選擇性合成高異構烴含量的汽油餾分，將分子篩組分由ZSM-5換成SAPO-34或Beta分子篩，還可實現低碳烯/烷烴的高選擇性合成，由此構建了CO加氫轉化的反應平臺，該結果發表在《自然-化學》雜誌（Nature Chemistry，2017，9，1019，ESI熱點/高被引論文，被引頻次>390）。該工作受到國內外研究者的高度認可，諸多研究團隊採用類似的氧化物/分子篩催化劑，在CO加氫直接合成烴類化學品與燃料方面取得重大進展。2222O3/HZSM-52
隨後研究團隊對該體系催化劑與雙功能催化反應機制做了進一步的研究與優化。研究發現SAPO-34分子篩的微/介孔結構、較小的晶粒尺寸與適當的酸性，均有利於低碳烯烴的選擇性合成，總烴類中低碳烯烴選擇性可以高達85%，CH4僅為1%（ChemSusChem2019，12，3582）。同時，通過Mg離子摻雜等管道優化SAPO-34分子篩Brnsted酸位點數目也有助於低碳烯烴的生成，以天然富鎂粘土為原料，首次用無溶劑法合成了鎂含量高達6.65%的摻鎂SAPO-34分子篩。合成的MgAPSO-34具有高比表面積、高結晶度和適中的酸性，粒徑為50 nm（ACS Sustainable Chem.Eng.2020，8，4185）。
對於雙功能催化劑中的另一組分氧化銦，首先，對氧化物進行鋯（Zr）助劑摻雜調控其表面結構，一方面Zr作為電子助劑可以促進氧缺陷的生成並增强CO的吸附，提升CO轉化率，另一方面銦鋯表面缺陷比特上加氫中間體的穩定性更高，可有效抑制逆水煤氣變換副反應的發生，由此進一步提升低碳烯烴收率（ACS Catalysis2018，8，571，ESI高被引論文；）。其次，研究團隊揭示了In2O3晶型與暴露面對CO加氫活性與選擇性的影響規律，闡明了CO活化與加氫反應機理（Science Advances，2020，6，eaaz2060）。22Journal of Catalysis2018，364，38222
在上述工作的基礎上，系統研究了雙功能催化劑催化CO2加氫制低碳烯烴反應中In2O3的尺寸效應。較小尺寸的In2O3雖然具有較大的比表面積和更多的氧空位，並為CO2和H2的活化提供了更多的活性比特，但小於19 nm的顆粒更容易燒結；In2O3的尺寸還會影響其與SAPO-34的協同效應，進而影響雙功能催化劑的催化活性。此外，相對於其它尺寸的In2O3，19 nm的In2O3更有利於甲醇中間體的生成.因而19 nm In2O3耦合SAPO-34的雙功能催化劑效能最好，其催化CO2轉化率最高，為14.1%。因而，適中尺寸的In2O3能够促進In2O3/SAPO-34上CO2加氫制低碳烯烴反應。這些結果為通過平衡結構穩定性和催化效能來設計更有效的催化CO2轉化的雙功能複合催化劑提供了理論指導。該工作最近被Chinese Journal of Catalysis（2021，42（11），2038）期刊線上發表，文章連結：https://doi.org/10.1016/S1872-2067（21）63851-2。
現時，研究團隊已實現該體系催化劑的噸級放大製備與工况條件下小型單管評估，圍繞該科技授權中國發明專利1項並PCT進入歐洲和美國國家階段申請。此外，該科技不僅適用於鋼鐵廠、電廠和水泥廠等高碳排放行業的煙氣的利用，還可用於富含CO2合成氣的轉化，具有良好的工業應用前景。
以上研究工作得到國家自然科學基金（21773286，U1832162）、荷蘭皇家殼牌集團前瞻科學基金（CW373032）、中國科學院潔淨能源先導科技專項（XDA21090204）、中國科學院青年創新促進會（2018330）、上海市青年科技啟明星計畫（19QA1409900）的支持。
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