化工学院绿色催化团队何珍红教授课题组在《Angew. Chem. Int. Ed.》等期刊发表CO2及低碳烷烃催化转化相关研究工作

2026年03月24日 16:22 文、图/化工学院何珍红点击：[]

化学与化工学院绿色催化研究团队围绕国家重大需求和学术前沿，致力于能源环境催化和含氟化合物合成两大课题的基础与应用研究，开展高效催化剂的设计合成和绿色催化过程的开发及其应用相关科学问题的研究工作。近期，团队围绕碳中和目标，在CO₂氧化丙烷脱氢、CO₂催化转化领域取得重要研究进展。

在电催化CO₂还原制备高附加值C₂化学品方向，团队开发出一种高效稳定的铜基催化剂Cu-MOF/CuₓO/CF-40，该催化剂以铜箔为基底，原位生成对苯二甲酸铜MOF结构，并同步构筑多价铜氧化物（Cu₂₊₁O、CuO）活性相，有效解决了传统铜基催化剂多价活性位点难以精准调控与长效稳定的关键难题。在0.1 M KCl电解液、-1.1 V（vs. RHE）电位下，该催化剂实现总C₂产物法拉第效率高达91.8%，总电流密度达34.6 mA·cm^-2，展现出优异的C₂产物选择性与催化活性。研究表明，多价铜物种可高效吸附活化CO₂并提升催化剂导电性，Cu-MOF则发挥稳定多价铜中心、延长催化剂使用寿命的重要作用；结合原位ATR-FTIR表征与DFT理论计算，明确*OCCOH为C-C偶联生成C₂产物的关键中间体，揭示了多价铜协同催化CO₂定向转化的微观机制。相关成果以Engineering Multivalent Copper Catalysts From Cu-MOF Towards High-Performance C₂ Electrosynthesis为题，发表在国际著名期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》上（Angew. Chem. Int. Ed., 2026, e24816）。我校博士生曹会会为论文第一作者，何珍红教授、杨得鑫副教授（郑州大学）、刘昭铁教授为共同通讯作者，陕西科技大学为第一通讯单位。

此外，CO₂氧化丙烷脱氢（CO₂-ODHP）兼具丙烯高效制备与CO₂资源化利用双重价值，是面向碳中和的重要低碳烃转化技术，但丙烷与CO₂的同步活化一直是制约反应性能的核心瓶颈。针对传统Ga基催化剂（尤其是GaN体系）Ga利用率低、CO₂转化率不高等问题，课题组通过氮气等离子体增强化学气相沉积策略，在≡Si-O-Ga₂O₃位点上原位生长GaN，成功构建出GaN-Ga₂O₃/ZSM-5双功能复合催化剂，在催化CO₂氧化丙烷脱氢反应中表现出优异性能，丙烯生成活性达2.53 mol_C3H6 g_Ga^-1 h^-1，CO₂转化率超过16%，较不含GaN的Ga₂O₃/ZSM-5催化剂活性提升近一倍；综合性能较已报道同类镓基催化剂提升一个数量级。机理研究证实，催化剂内部存在显著的电子转移效应与双活性中心协同作用，可同步强化丙烷与CO₂的吸附与活化，显著促进丙烷脱氢（DHP）与逆水煤气变换（RWGS）耦合反应。该工作为金属氮化物-氧化物双功能活性位点的精准构建提供了高效策略，为丙烷脱氢及CO₂协同转化体系的开发奠定了重要基础。相关成果以Metal Nitride-Terminated Metal Oxides Efficiently Catalyzing CO₂ Oxidative Dehydrogenation of Propane为题，发表在催化领域著名期刊ACS Catal.上（ACS Catal., 2026, 16, 2375-2385）。我校博士生王森望为论文第一作者，何珍红教授、毛伟研究员（西安近代化学研究所）、刘昭铁教授为论文通讯作者，陕西科技大学为第一通讯单位。

在此基础上，团队进一步深化钴基催化体系上实现了对CO₂-ODHP反应活性位点与机理的认知。课题组制备了一系列Co@Z5-1000催化剂（Z5-1000为硅铝摩尔比1000的ZSM-5分子筛），并将其应用于CO₂氧化丙烷脱氢反应，表现出优异的催化活性。研究发现，催化剂中存在两类钴活性物种：一类是通过Co²⁺-O(H)-Si键高度分散于分子筛骨架中的钴单原子位点，另一类是分布在分子筛表面的小尺寸CoO_x团簇。两类活性中心在反应中遵循不同催化路径：骨架内Co²⁺-O(H)-Si位点可同时催化丙烷直接脱氢（DHP）与逆水煤气变换（RWGS）反应，实现高效耦合；而表面CoO_x纳米团簇仅对丙烷脱氢具有催化贡献。该研究清晰阐明了钴基催化剂在CO₂-ODHP中的结构-性能关系，为定向设计制备丙烯与CO联产的高效催化剂提供了重要理论指导。相关成果以“Boosting CO₂ oxidative propane dehydrogenation via separate activation CO₂ and propane by in-framework and extra-framework Co species on ZSM-5 zeolite”为题，发表在催化领域著名期刊Appl. Catal. B-Environ.上（Appl. Catal. B-Environ., 2025, 373, 125324）。我校博士生孙永昌为论文第一作者，何珍红教授、刘昭铁教授为论文通讯作者，陕西科技大学为第一通讯单位。

在丙烷高效利用与能源器件耦合方向，团队创新性开展丙烷基固体氧化物燃料电池（C₃H₈-SOFCs）研究，实现轻烯烃与电能联产，为低碳烃高值化利用提供了新思路。镍基阳极支撑的SOFC性能优异，但丙烷易积碳失活是制约其应用的关键问题。为此，课题组在Ni-YSZ阳极上设计构筑了Ni、Pt共掺杂Zn₂TiO₄（ZNTP）催化层，有效催化丙烷脱氢生成轻烯烃，并阻隔丙烷与阳极、固体电解质直接接触，显著抑制积碳。研究发现，催化层中可原位形成ZnNi合金纳米颗粒与高度分散Pt原子，其中ZnNi合金提升催化剂导电性与氧空位浓度，Pt原子强化丙烷吸附，为氧化脱氢制轻烯烃提供充足活性位点。在750℃，该电池轻烯烃产率达28.6%，峰值功率密度达680 mW/cm²，均处于同类型进料体系已报道最高水平，且表现出优异的抗积碳稳定性。该工作成功构建了丙烷脱氢制轻烯烃的高效双功能催化剂，为高附加值化学品与电能联产提供了重要技术策略。相关研究发表在催化领域著名期刊Appl. Catal. B-Environ.上（Appl. Catal. B-Environ. 2026, 380, 125801）。我校博士生田玥为论文第一作者，何珍红教授、刘昭铁教授、韩布兴院士为论文通讯作者，陕西科技大学为第一通讯单位。

在光热催化CO₂加氢转化方向，团队聚焦可再生能源耦合CO₂资源化利用，开发出两类高性能催化体系，分别实现CO₂定向制备甲烷与一氧化碳。针对传统光催化CO₂甲烷化活性低、能量利用效率差等瓶颈，课题组构建了Cu、Nd共掺杂Co₃O₄光热催化剂（CCNO-9），实现光热协同驱动CO₂甲烷化。在200 ℃、常压条件下，该催化剂CH₄生成速率高达27.3 mmol g_cat^-1 h^-1。Cu与Nd的引入在晶格中形成丰富异质界面与氧空位，显著提升CO₂吸附活化能力；原位表征与理论计算表明，Nd可促进HCO_₃^-与COOH关键中间体生成，光热协同作用有效降低决速步能垒，为低能耗、高效率CO₂制甲烷提供了稳定高效的催化体系。

同时，团队利用高熵氧化物结构优势，通过溶胶凝胶法结合焙烧温度调控，制备出CoCuMnFeCe高熵氧化物催化剂，并成功应用于光热催化CO₂加氢制CO。其中500 ℃焙烧的 CoCuMnFeCeO_x(500)性能最优，催化活性高达110 mmol g_cat^-1 h^-1，CO选择性达99.4%。原位表征与DFT计算证实，*COOH 为反应关键中间体，其生成步骤为反应决速步，高熵结构显著优化了中间体吸附与转化动力学。该工作为高熵氧化物催化剂的理性设计与CO_₂高值化利用提供了新途径，有望推动低碳催化技术的创新发展。相关成果分别以“Cu,Nd-co-doped Co₃O₄ for efficient photothermal synergistic catalysis of CO₂ hydrogenation at ambient pressure”“Order-disorder hybrid high-entropy Co-Cu-Fe-Mn-Ce oxides for photothermal CO₂ hydrogenation”为题，发表于Green Chem.上（Green Chem., 2026, 28, 1607-1619; 2025, 27, 6056-6066）。我校硕士生石文静、魏辛宴分别为论文第一作者，何珍红教授、刘昭铁教授等为论文通讯作者，陕西科技大学为论文第一通讯单位。