https://doi.org/10.1016/j.gce.2025.05.009

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1. 文章导读

温室气体CO₂的捕获与资源化利用是解决气候危机和能源危机的关键策略之一。其中，CO₂与环氧化物通过原子经济性反应合成环状碳酸酯，因其条件温和、原子利用率高、产物应用广泛（如锂电池电解液、聚合物单体），被视为极具潜力的绿色化学路径。然而，高效、稳定且可工业化的催化剂与工艺设计仍面临巨大挑战。西安交通大学常春然教授团队近期在Green Chemical Engineering （GreenChE）上发表了题为“Synthesis of cyclic carbonates by CO₂ cycloaddition with epoxides: recent advances, challenges and perspectives”的综述文章，系统梳理了该领域的最新进展、核心挑战与未来方向，特别强调了“捕集-转化”一体化双功能催化剂和新型反应器设计的关键作用。

图1. CO₂环加成反应的最新进展、核心挑战与未来方向。

2. 内容概述

（1）反应机理深度解析

文章精炼了反应的三种主要活化机制：环氧化物活化（最常见，决速步为开环）、CO₂活化和双活化机制。明确指出环氧化物的开环步骤通常是整个反应的决速步，降低其能垒是提升效率的关键。

图2. 离子液体的常见阴阳离子种类。

（2）催化剂体系全景评述

均相催化剂： 离子液体（ILs, 可调性强）、金属-Salen络合物（活性高，金属中心可调）、无机金属盐（如卤化物，依赖阴离子亲核性）等展现了优异的活性，但面临回收困难和规模化挑战。

多相催化剂（重点与突破）： 多相催化剂是近年来研究热点，其具有易分离、可回收、稳定性好等特性。文章详细评述了多种热门材料：① 金属有机框架（MOFs）具有结构可设计、比表面积大、活性位点明确（如Lewis酸金属节点）的特点，通过功能化（如引入氨基、硼）或构建复合材料（如MOF/气凝胶、Salen@MOF）可显著提升其活性和稳定性。② 受阻路易斯酸碱对（FLPs） 设计被证明能高效协同活化底物。③ 卟啉聚合物具有密集的金属活性位点（如Zn, Co）和良好的可修饰性，在光/热催化中表现优异。④ 超薄结构、单原子位点设计促进了传质和电荷转移。⑤ 沸石咪唑酯骨架（ZIFs）表面富含缺陷位点，具有良好的CO₂富集能力。⑥ 高熵ZIFs（HE-ZIFs） 利用多种金属的协同效应提升性能。⑦ 多孔有机聚合物（POPs）和共价有机框架（COFs）的孔道与功能基团可精准设计，利于底物扩散与活化。⑧ 引入柔性离子聚合物或构建核壳结构（如M@COF）可增强协同催化。⑨ 离子交联聚合物（如HIPs, HCPs）可结合离子液体和多孔聚合物优势，具有超高离子密度，是高效催化CO₂（甚至模拟烟道气）环加成的有力候选者。⑩ 固载化离子液体可通过化学键合（稳定性好）、封装、聚合（如聚离子液体PILs）等方式将ILs“锚定”在载体（如MOFs、SBA-15、壳聚糖和GO）上，兼具ILs的高活性和多相易分离性。此外，“受阻离子对”（FIPs） 概念（即通过空间位阻减弱阴阳离子作用，提升阴离子亲核性）被提出作为提升性能的新思路。

其他催化剂： 金属氧化物/碱（常需助催化剂或外场激发）、碳材料（如GO, 生物炭）以及多孔硅材料等的研究进展也被涵盖。

（3）反应器技术与过程强化

本文对比了间歇式高压反应釜（操作简单但传质传热受限）、连续流反应器（如固定床，接触效率高，易于放大）和微通道反应器（超高比表面积，传质传热效率最优，TOF可达14,000 h⁻¹，远高于间歇反应器的60 h⁻¹）。此外，强调了高效反应器设计（尤其是微通道固定床反应器）对克服气-液-固三相反应传质瓶颈、实现连续化和绿色化生产至关重要。

图3. 微反应器装置示意图。

（4）关键挑战与前瞻策略

当前多相催化剂性能（尤其在温和条件下）和长期稳定性仍不足。文章提出未来设计应聚焦以下几个方面：① FLPs结构设计： 精确调控Lewis酸/碱位点距离，协同活化CO_-2和环氧化物。② FIPs结构设计： 通过引入空间位阻优化离子对相互作用，增强阴离子开环能力。③ “捕集-转化”一体化： 开发能在温和条件（25°C, 1 atm）下选择性吸附低浓度CO₂源（工业烟气/空气）并原位催化转化为环状碳酸酯的双功能材料，避免中间分离步骤，大幅降低能耗与成本。④ 绿色与可扩展性： 呼吁关注催化剂合成过程的绿色性（避免有毒昂贵原料/复杂工艺）和规模化潜力。评估性能时应考虑易于工业化的条件（而非仅追求最高收率下的苛刻条件）和单位质量催化剂的有效活性组分比例。⑤ 产学研协同： 加强实验室研究与化学/工艺工程师的合作，在催化剂设计早期就考虑工业可行性（合成成本、设备兼容性、生命周期评估），加速技术落地。

3. 总结与展望

本综述系统梳理了CO₂与环氧化物环加成合成环状碳酸酯领域在机理理解、催化剂创新（特别是高性能多相催化剂）以及反应器设计方面的最新进展，并清晰指明了当前面临的核心挑战和具有前瞻性的解决方案（如双功能FLPs/FIPs催化剂设计、微反应器应用和绿色可扩展性关注）。文章为开发下一代高效、稳定、可工业化的“碳捕集-利用”（CCU）集成技术提供了重要的理论指导和实践蓝图，对推动CO₂资源化利用、实现碳中和目标具有重要意义。

4. 作者简介

常春然 教授

常春然，西安交通大学化工学院教授，博士生导师。主要从事与能源、环保相关的催化新材料的设计与构建、多相催化反应机理、以及绿色催化反应体系开发等方面的研究, 主要聚焦于煤基高端化学品开发、天然气/页岩气转化、二氧化碳资源化利用等反应过程。主持国家自然科学基金联合基金重点项目、面上项目、青年项目、国际合作项目、应急管理项目等5项，主持国家重点研发计划课题1项、子课题1项、横向课题5项。在Nat. Catal., Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等国际权威期刊上发表SCI论文100余篇，论文总引用次数9000余次, H-因子为39。荣获陕西省自然科学一等奖1项，陕西省高等学校科学技术一等奖1项、中国稀土学会科学技术二等奖1项。分别入选国家级青年人才、陕西省青年拔尖人才、陕西省科技新星、陕西省青年杰出人才、陕西省青年人才托举计划、王宽诚青年学者、西安交通大学十大学术新人等人才计划。目前担任中国能源学会专委会委员，陕西省煤炭标准委员会副主任委员，榆林学院校学术委员会常务副主任，《Frontiers in Catalysis》副主编、《Chinese Chemical Letters》、《国家科学进展》、《物理化学学报》等多个期刊的青年编委。

更多详情见课题组主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/changcr。

撰稿：原文作者

编辑：GreenChE编辑部

期刊简介

Green Chemical Engineering（GreenChE）于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”，2020年9月正式创刊，最新影响因子7.6，位列Q1区，最新CiteScore为15.5，目前已被ESCI、EI、DOAJ、Scopus和CSCD等多个权威数据库收录。GreenChE以绿色化工为学科基础，聚焦"绿色"，立足"工程" ，注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题，紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。

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