從反應系統中有選擇地、快速地去除產物H₂O一直是提高受水熱力學和/或動力學限制的反應的催化性能的非常理想的途徑。設計包含H₂O傳導納米通道的膜反應器可以改變反應平衡，但大規模制備無缺陷膜具有挑戰性。催化劑表面的化學氫化可以通過加速水擴散來極大地促進反應，但在許多情況下，化學相互作用可能會改變催化劑表面的結構，甚至通過阻礙反應物分子的進入來阻斷活性位點。

使水在催化劑表面快速擴散是一個有吸引力的替代方案。通過促進水分子在催化劑表面形成后快速解吸，如*H₂O ? * + H₂O（*表示催化劑表面位點），水的吸附平衡發生了變化，這樣有望大大提升反應速率。

浙江大學肖豐收教授、王亮研究員和中國科學院精密測量科學與技術創新研究院鄭安民研究員等人合作在Science上發表文章，Physical mixing of a catalyst and a hydrophobic polymer promotes CO hydrogenation through dehydration。

他們發現，將疏水性聚二乙烯基苯（PDVB）與碳化鈷錳（CoMnC）的簡單物理混合可以調節局域的催化劑環境，以便在合成氣轉換中快速運輸生成的水。通過將催化劑與疏水聚合物混合，將輕烯烴生產率提高了3.4倍，CO轉化率提升一倍。機理研究表明，在CO氫化形成的H₂O可以迅速從催化劑表面解吸，這避免了與CO的競爭性吸附，這是反應過程中的關鍵一步。

作者通過共沉淀和碳化程序制備了CoMnC催化劑。在給定反應條件下的合成氣轉換中（H₂/CO為2，1800 ml g_CoMnC^-1 h^-1，0.1 MPa，250°C），CoMnC催化劑的CO轉化率為32.2%，輕烯烴的選擇性（C₂⁼到C₄⁼)為60.8%）。在最初的嘗試中，作者將CoMnC催化劑與PDVB（水滴接觸角145°，形態不規則，表面積<5 m²/g）物理混合。這種疏水聚合物具有化學惰性的表面和良好的熱穩定性。與等效反應條件下的CoMnC催化劑相比，混合催化劑稱為CoMnC/PDVB，大大提高了CO轉化率（63.5%）和對輕烯烴的選擇性（71.4%）。關于C₅₊副產品，戊烯和己烯的比例分別為50.3%和26.0%；這些是生產高性能聚合物和貴重化學品的理想產品。

在連續反應測試中使用CoMnC/PDVB催化劑來評估耐用性。激活約15小時后，CO轉換在穩定狀態下保持恒定，平均值約為64.7%。即使在反應120小時后，CO轉換也保持在62.8%，具有穩定的CoMnC和PDVB成分，這證實了CoMnC/PDVB的良好耐用性。

這種方法可用于升級工業催化過程，而無需修改催化劑本身。

值得說明的是，近三年來，肖豐收團隊在Science上不斷取得豐收，2020年和2021年也各發了一篇Science！

圖1. 合成氣生產輕烯烴的催化數據

圖2. 不同物理混合方法對催化劑耐久性的影響

圖3. PDVB優化的水吸附

圖4. 理論模擬

Fang et al, Physical mixing of a catalyst and a hydrophobic polymer promotes CO hydrogenation through dehydration. Science 377, 406-410 (2022).

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo0356