给空天飞行器加装高能燃料——记科技进步一等奖面向能源化工的电子自旋催化剂创制及作用机制

　　当超高音速飞行器穿越云霄，当运载火箭奔赴星辰，高性能空天燃料成为守护国之重器的底气，而电子自旋催化剂，更是这股底气背后的关键支撑。

　　“与传统催化剂相比，电子自旋催化剂突破了自旋禁阻与多步反应匹配瓶颈，为高效、节能的催化过程提供新途径。”天津大学化工学院邹吉军教授提到，目前电子自旋催化处于起步阶段，存在作用机制不清晰、催化剂设计缺乏理论指导、规模化制备技术不成熟等问题。该团队围绕这些痛点，揭示了自旋催化作用机制，创制了高效自旋催化剂。该技术于近日荣获2025年度中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖。

　　创新原理提高能量密度

　　邹吉军认为，化学推进是当前航空航天飞行器的主要推进方式，高性能空天燃料是航天航空关键材料，制备这种燃料的关键在于提高能量密度和热值。

　　在提高燃料密度方面，面对传统催化效率低、能耗高、无法连续稳定运行等难题，该团队进行层层递进的系统性突破研究。首先，他们创新催化原理，创制金属缺陷型自旋催化剂，通过注入自旋极化电子驱动反应物完成自旋翻转，使反应遵循更为高效的路径。其次，团队开发的“原子对催化剂”可使多步基元反应更好地协调匹配，加快反应效率，提升选择性。最终，他们创新连续化光催化工艺，实现低能耗稳定生产。

　　团队进一步通过智能设计和定向合成来创制新的燃料分子，同时提高密度和热值。在分子设计上，团队设计出兼具高能量、良好低温流动性与热稳定性的燃料新分子。其中，典型的燃料分子具有张力环结构，其密度和热值均超越现有燃料，能量提升幅度达到30%；在合成环节，团队利用自旋催化剂实现目标分子的高收率精准合成，相关催化剂还在环加成、加氢、制氢等反应中表现突出，其中自旋极化光催化剂使环加成反应收率提升一倍以上。

　　生物质转化制备高密度燃料也是团队的绿色创新路线。他们基于生物质分子的结构特性构建更紧凑、致密的三维分子结构，解决了传统催化难以实现的立体选择性合成难题，并且原料来源于可再生生物质，催化过程条件温和、原子经济性高，抑制了副反应产生。

　　高效协同提升吸热能力

　　除了需要具备高能量密度，空天燃料还要通过化学反应吸收热量，发挥高温冷却功能。

　　“当前空天燃料主要存在吸热能力不足、吸热过程稳定性差两大问题。”邹吉军提到，团队通过探究燃料分子构效关系，分析燃料分子的热氧化沉积机理，发现这些问题的根源在于燃料分子的结构设计与其吸热反应路径的催化调控未能实现高效协同。

　　对此，团队通过分子设计与催化调控实现突破。他们设计具有催化脱氢倾向的燃料分子结构，并创制专用的脱氢催化剂，该催化剂能在燃料经历高温时高效率、高选择性地触发脱氢反应。这一过程在吸收大量热量的同时，生成的氢气可做燃料使用，从而将燃料从被动吸热转变为主动化学反应吸热。燃料的吸热能力提升超过20%，同时高选择性的催化路径极大抑制了热裂解结焦，保障了冷却通道的长时通畅与系统安全。

　　他们开发的自旋催化剂已应用于高能燃料及精细化学品合成、电解水制氢、有机液体储氢、氢氧燃料电池等多个领域。团队开发了基于自旋光催化的高能燃料合成技术，建成了高能燃料规模化生产装置；开发了电解水制氢—有机液体储供氢技术，建成国内首台/套撬装式储氢与供氢示范装置。

　　坚守初心打通产业化链条

　　“支撑我们坚持的动力来源于对能源化工中关键科学问题的好奇心，以及将前沿科学成果转化为实际生产力的使命感。”邹吉军感慨，每一次实验突破、每一篇论文发表、每一项专利落地，都激励着团队继续前行。

　　在项目推进中，团队克服重重难关。技术研发上，面对自旋催化机制不明、催化剂难以定向设计的问题，他们通过理论计算与先进表征结合，揭示了自旋极化/自旋态的作用机制，进而建立了金属缺陷、原子对等可控构筑方法。成果转化上，实验室研制的催化剂难以满足工业化要求，他们开发了催化剂放大制备工艺及燃料连续化光催化合成工艺，解决了传统间歇方式能耗高、易结焦的难题，实现了从克级到公斤级再到吨级的稳定放大。产业化落地上，围绕企业接受前沿技术难，团队通过产学研深度合作，为企业提供技术改造服务，在多家合作单位建成示范装置，实现多项成果的规模化应用。

　　邹吉军认为，自旋催化有望在二氧化碳还原、固氮、甲烷转化等更复杂的反应中发挥作用，未来需进一步结合原位表征、人工智能等方法，实现分子设计、催化剂创制和催化过程的自适应与动态调控。团队将继续深耕自旋催化在高值化学品、绿氢、低碳能源转化等领域的应用，推动中试放大与工艺集成，布局从实验室到产业链的技术示范。