第一作者：徐艳飞副研究员
通讯作者：徐艳飞副研究员、定明月教授
通讯单位：武汉大学
论文DOI：https://doi.org/10.1039/D4CS00731J
合成气催化转化是生产高值化学品和清洁液体燃料的关键过程，反应中生成的水分子吸附在催化剂上不仅会占据活性位点、而且会引发水煤气变换（WGS）副反应，导致碳原子利用率低、碳排放高。对催化剂进行疏水化修饰可以降低对水分子的表面亲和力，进而减弱水分子对合成气转化的负面影响。近年来，研究者们在疏水催化剂的开发上取得了许多突破，越来越多的研究证明了疏水催化剂的多功能性。
本文对2000年以来合成气转化领域中疏水催化剂近20年的发展历程进行了系统的总结和讨论，这些疏水催化剂可归纳为三大类，即具有疏水表面的催化剂、具有疏水载体的催化剂、与疏水助剂物理混合的催化剂，不同类型的疏水催化剂在合成气转化中发挥着不同的作用。在此基础上，本文进一步展望了疏水催化剂的发展前景和研究挑战。
图1. 合成气转化领域中疏水催化剂的发展历程
(1) 合成气转化催化剂的研究现状
本文首先简要总结了用于合成气转化的Fe基FTS催化剂、Co基FTS催化剂、OXZEO催化剂等不同催化剂体系各自的特点和研究现状，分析讨论了不同催化剂体系中副产物CO2产生的反应路径和活性位点，并介绍了不同催化剂体系中研究者们在抑制副产物CO2生成方面所做的初步研究工作，基于此引出了对催化剂进行疏水修饰的重要性。
(2) 具有疏水表面的催化剂
本文首先以合成气制烯烃为例，讨论了表面疏水化修饰对催化剂上水分子的吸附扩散行为、水分子参与WGS反应、合成气转化路径、反应中活性相演变等方面的调控作用，及其对副产物CO2选择性的抑制机理，并分析了疏水催化剂的稳定性和技术经济性。然后，阐述了这种具有疏水表面的催化剂在合成气转化制备长链α-烯烃、低碳烯烃、高品质汽油、C2+醇、二甲醚、高热值天然气等方面的拓展应用。
图2. 通过构筑具有疏水表面的催化剂降低合成气转化反应中副产物CO2的选择性
(3) 具有疏水载体的催化剂
这种类型的疏水催化剂是指将活性金属负载于疏水材料上的催化剂，是合成气转化领域中最早研究的一类疏水催化剂。本文着重阐述了催化剂载体的疏水化修饰对“活性金属-载体”相互作用、水分子迁移等方面的调节作用，及其对合成气转化的影响机理，并讨论了硅烷化处理/负载金属的顺序、修饰的有机官能团的类型、载体的类型等因素对这种类型疏水催化剂的结构性质和反应性能的影响。
图3. 通过构筑具有疏水载体的催化剂提高合成气转化效率
(4) 与疏水助剂物理混合的催化剂
这种类型的疏水催化剂是近三年刚发展起来的新体系，指将疏水材料与催化剂通过简单的物理混合方式得到的混合物。本文总结阐述了这种类型疏水催化剂中疏水助剂的作用机理，讨论了疏水助剂与催化剂的混合方式（空间亲密度）对合成气转化反应的影响，介绍了这种类型疏水催化剂在CO2加氢转化领域中的拓展应用，并分析了该催化体系尚存的问题以及未来的研究方向。
图4. 通过将疏水助剂与催化剂物理混合提高合成气转化效率
(5) 提高碳原子利用率的其它催化体系
除了通过疏水化修饰抑制水分子在催化剂上的吸附滞留这一策略外，减少或消除催化剂上WGS副反应的活性位点是降低CO2选择性、提高碳原子利用率的另一种有效途径，如使用WGS反应活性较低的纯相FexC催化剂、几乎没有WGS反应活性的Ru基催化剂，本文着重介绍了这两种催化剂体系在近些年取得的代表性突破。
在合成气转化过程中，水分子作为一种主要的含氧产物，其不仅可以通过占据催化剂上的活性位点而抑制CO的转化，还可以通过诱导WGS副反应而产生大量的副产物CO2。疏水化修饰可以降低催化剂对水分子或其他极性化合物的亲和力，进而调节这些分子在催化剂上的吸附和扩散行为来调控催化反应，近年来研究者们在疏水催化剂的开发上取得了许多突破，本文对2000年以来合成气转化领域中疏水催化剂近20年的发展历程进行了系统的总结和讨论。在此基础上，本文进一步分析了三种类型疏水催化剂现存的问题，并展望了疏水催化剂的发展前景和研究挑战。
Yanfei Xu*, Mingyue Ding*. Development of hydrophobic catalysts for reducing the CO2 emission during the conversion of syngas into chemicals and fuels. Chem. Soc. Rev. 2025.
DOI：https://doi.org/10.1039/D4CS00731J
徐艳飞，武汉大学副研究员，入选湖北省“楚天学者”高层次人才计划、中国博士后创新人才支持计划、小米青年学者。长期从事合成气催化转化的研究工作，聚焦于烃类产物的定向调控、副产物CO2的高效抑制，以第一/通讯作者在Science、Chem. Soc. Rev.、Chem、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表论文20余篇，研究成果被Science、科学通报、国家自然科学基金委员会官网进行亮点报道。主持国家自然科学基金（面上项目、青年科学基金）、国家重点研发计划子课题等科研项目10余项，获中国化学会京博优秀博士论文奖铜奖、中国青年碳中和创新创业大赛全国金奖，担任Molecules期刊Guest Editor。
定明月，武汉大学二级教授，前沿交叉学科研究院副院长，能源化学工程专业学术带头人，国家级人才计划特聘教授，国家重点研发计划催化科学重点专项首席科学家。长期从事碳基能源小分子（CO、CO2等）催化转化、生物质资源高值化利用方面的基础研究和工程开发工作，负责设计建立了千吨级生物质基液体燃料合成集成工艺和相配套催化剂放大研制平台。近年来在该领域主持承担国家重点研发计划项目，基金委联合基金重点、国际合作研究项目等20余项。在Science、Chem. Soc. Rev.、Chem、Nat. Commun.、PNAS、Angew. Chem. Int. Ed.等国际权威期刊上发表论文100余篇，授权国家发明专利10余项，研究成果被Science、科学通报等学术期刊进行亮点评述和专题报道，获湖北省青年科技创新奖。
课题组主页：http://energychem.whu.edu.cn/
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