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摘要：日本的研究小组开发了一种由铁锈的主要成分α-羟基氧化铁（α-FeOOH）组成的固体催化剂，并成功地利用该催化剂以高选择率从CO₂中获得了储氢物质——甲酸，有望通过有效利用常见物质实现人工光合作用，为脱碳社会和氢能社会的实现构建技术基础。

关键字：新型固体催化剂、α-羟基氧化铁、甲酸、人工光合作用、CO₂回收再利用

要点

开发了一种由铁锈的主要成分α-羟基氧化铁构成的新型固体催化剂
能够利用可见光作为能量来源，将CO₂转化为储氢物质甲酸
开发了一种铁基固体催化剂，该催化剂能够以世界上最高的CO₂还原选择率制取甲酸

概要

日本的研究小组开发了一种由铁锈的主要成分α-羟基氧化铁（α-FeOOH）组成的固体催化剂，并成功地利用该催化剂以高选择率从CO₂中获得了储氢物质——甲酸。

在以往利用光能从CO₂中获得有用物质，构建“人工光合作用”系统的研究中，通常使用由贵金属和稀有金属制成的固体催化剂，从资源限制的角度来看，亟需进行替代材料的开发。研究小组围绕含铁土壤矿物质（如α-FeOOH）的CO₂吸附能力，开发了基于α-FeOOH的固体催化剂。

结果表明，该催化剂在分子光敏剂的作用下可以促进CO₂到甲酸的还原性转化反应，且具备很高的性能。优化催化剂的制备条件后，将α-FeOOH负载于氧化铝上，使该催化剂具有非常高的性能，实现了80-90%的CO₂还原选择率。

本研究的结果使得人们将能够利用不受资源限制的大量存在的元素，以太阳光作为能源，在常温、常压的条件下，将CO₂这一造成全球变暖的主要物质转化为有用的化学物质。

α-FeOOH/Al₂O₃催化的CO₂还原反应的设计图

研究背景

在建立光催化（即人工光合作用）系统，将光能高效转化为化学能的努力当中，开发固体催化剂，转化CO₂从而获得有用物质是一个十分重要的课题。到目前为止，人们已经使用了由银和钴（以及其他贵金属和稀有金属）制成的纳米颗粒作为CO₂转化的固体催化剂，但从资源限制的角度来看，替代材料的开发迫在眉睫。此外，在控制选择率以“分别合成所需的物质”方面，也还有很大的发展空间。

研究成果

铁的羟基氧化物和氧化物是典型的土壤矿物质，也是地球环境中碳循环的节点之一。特别是α-羟基氧化铁（α-FeOOH），作为铁锈的主要成分为人们所熟悉。围绕这些含铁土壤矿物质的CO₂吸附能力，该研究小组一直在开发基于α-FeOOH的固体催化剂。研究结果表明，在分子光敏剂的作用下，负载于氧化铝微粒子上的α-FeOOH能够以高选择率将CO₂转化为甲酸。该催化剂在可见光能量的辅助下，可以在常温常压环境下反复使用，在优化条件下，能够以80-90%的高选择性获得甲酸（图1）。

图1.png

图1：α-FeOOH/Al₂O₃催化的CO₂还原反应

（重复反应试验）

研究小组认为，α-FeOOH所具有高度的CO₂转化选择率，是由于其CO₂吸附量相较其他催化剂样品明显较高，同时将α-FeOOH负载在氧化铝颗粒上进一步增强了它的CO₂吸附能力（图2左）。与之相比，α-Fe₂O₃（氧化铁）的CO₂吸附能力较低，也就意味着较低的CO₂还原选择率（图2右）。

可见，增加固体催化剂的CO₂吸附能力有助于提高催化剂的CO₂还原性能，同时，采用适当的载体可以提高CO₂吸附能力和催化性能。

图2.png

图2：各种催化剂的CO₂吸附能力（左）和CO₂还原活性的比较（右）

未来展望

铁作为CO₂转化催化剂的核心元素已经引起了人们的关注，但是能够以高选择率获得甲酸的铁基固体催化剂还没有被发现。本研究的成果表明，适当、充分地利用地壳当中矿藏丰富的铁，能够构建化学反应系统以获取有用的资源。从元素战略的角度来看，本研究的结果也十分重要。

今后，通过具有不同晶体结构的铁化合物的应用，与不同元素的复合，以及催化剂载体的优化，有望使催化性能得到极大的改善。同时，确立“分别制取”反应生成物的技术，催生出新的催化剂，使人们能够获得具备更高附加值的酒精等产品，最终有望构建实现脱碳社会和氢能社会的技术基础。

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