催化剂里的“邻居效应”：Fe-Mn原子距离缩短1纳米，CO₂转化率提升30%

当全球都在为“碳中和”绞尽脑汁时，你知道吗？让CO₂变废为宝的关键，可能藏在催化剂里金属原子的“邻里关系”中。近日，天津大学、南开大学联合研究团队在《Frontiers of Chemical Science and Engineering》发表论文，首次发现铁（Fe）和锰（Mn）原子的距离越近，CO₂加氢反应效率越高：当距离缩短到1纳米以内时，CO₂转化率提升35.2%，甲烷（CH₄）生成减少近一半，而高价值的长链烃（C5+）选择性提高51.3%。这一发现为设计高效CO₂转化催化剂提供了“分子级户型图”。

碳中和的“拦路虎”：CO₂加氢总“跑偏”

CO₂加氢反应就像一场“分子厨艺秀”——把CO₂和氢气“炒”成燃料或化学品。铁基催化剂是这场“厨艺秀”的主力，但传统铁催化剂总爱“炒糊”：要么把CO₂过多转化为无用的甲烷，要么反应效率低下，转化率常低于30%。“问题出在催化剂的‘户型’不好。”研究团队解释，铁原子容易“贪吃”氢气，导致表面氢浓度过高，反而让CO₂“无处落脚”，最终生成大量甲烷。

锰（Mn）作为“调味剂”常被加入催化剂，却一直“发挥不稳定”。有的研究说它能促进长链烃生成，有的则认为会抑制反应。谜底直到科学家关注到“邻居距离”才被揭开：原来，铁和锰原子的距离，才是决定催化效果的关键“开关”。

给催化剂“换户型”：三种距离，三种表现

为验证“邻居效应”，团队给催化剂设计了三种“户型”：

• “亲密型”（FeMn-stf）：Fe和Mn原子“住对门”，距离小于1纳米，像同一屋檐下的室友；
• “邻居型”（FeMn-imp）：原子距离1-20纳米，类似同小区邻居；
• “远亲型”（FeMn-mix）：距离超50纳米，好比住在不同小区。

通过X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）观察，“亲密型”催化剂中Fe和Mn原子完全重叠分布，像掺在一起的红豆和绿豆；“远亲型”则各自聚集，泾渭分明。随后的催化反应测试显示：“亲密型”表现最佳，CO₂转化率达35.2%，比“远亲型”（27.2%）提升30%；甲烷选择性从39.8%降至19.8%，而C5+烃类（可用于制造柴油、蜡等）选择性提高到51.3%。

原子“悄悄话”：电子转移让反应“提速”

为什么距离近了效果更好？团队用X射线光电子能谱（XPS）发现了“电子悄悄话”：Mn原子会把电子“分享”给Fe原子，就像邻居借东西，让Fe表面电子密度增加。这相当于给Fe原子“戴上了手套”，减少对氢气的“贪吃”，同时增强对CO₂的吸附能力——CO₂-TPD测试显示，“亲密型”催化剂吸附CO₂的能力是“远亲型”的1.5倍。

更关键的是原位红外光谱（FTIR）捕捉到的“反应 intermediates”：“亲密型”催化剂中，CO₂会快速转化为甲酸根（HCOO*），这是生成烃类的“关键中间体”；而“远亲型”几乎看不到这种物质，CO₂大多直接变成CO跑掉。“就像做饭，‘亲密型’能把原料及时转化为半成品，而‘远亲型’还没下锅就丢了一半。”研究人员比喻道。

催化剂“装修指南”：未来这样设计更高效

这项研究为CO₂转化催化剂提供了“装修新思路”：与其盲目添加金属元素，不如优化原子间的“邻里距离”。团队指出，未来可通过调控催化剂的晶体结构，让活性金属原子“住得更近”，比如采用尖晶石结构（如实验中的FeMn-stf），或通过原子层沉积技术精准控制距离。

“这就像优化办公室布局，让合作紧密的同事坐在一起，效率自然提升。”论文通讯作者黄守莹教授表示，该发现不仅适用于CO₂加氢，还为其他双金属催化反应（如合成氨、制氢）提供了借鉴。