當超高音速飛行器穿越云霄，當運載火箭奔赴星辰，高性能空天燃料成為守護國之重器的底氣，而電子自旋催化劑，更是這股底氣背后的關鍵支撐。

　　“與傳統(tǒng)催化劑相比，電子自旋催化劑突破了自旋禁阻與多步反應匹配瓶頸，為高效、節(jié)能的催化過程提供新途徑。”天津大學化工學院鄒吉軍教授提到，目前電子自旋催化處于起步階段，存在作用機制不清晰、催化劑設計缺乏理論指導、規(guī)模化制備技術不成熟等問題。該團隊圍繞這些痛點，揭示了自旋催化作用機制，創(chuàng)制了高效自旋催化劑。該技術于近日榮獲2025年度中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會科技進步一等獎。

　　創(chuàng)新原理提高能量密度

　　鄒吉軍認為，化學推進是當前航空航天飛行器的主要推進方式，高性能空天燃料是航天航空關鍵材料，制備這種燃料的關鍵在于提高能量密度和熱值。

　　在提高燃料密度方面，面對傳統(tǒng)催化效率低、能耗高、無法連續(xù)穩(wěn)定運行等難題，該團隊進行層層遞進的系統(tǒng)性突破研究。首先，他們創(chuàng)新催化原理，創(chuàng)制金屬缺陷型自旋催化劑，通過注入自旋極化電子驅(qū)動反應物完成自旋翻轉(zhuǎn)，使反應遵循更為高效的路徑。其次，團隊開發(fā)的“原子對催化劑”可使多步基元反應更好地協(xié)調(diào)匹配，加快反應效率，提升選擇性。最終，他們創(chuàng)新連續(xù)化光催化工藝，實現(xiàn)低能耗穩(wěn)定生產(chǎn)。

　　團隊進一步通過智能設計和定向合成來創(chuàng)制新的燃料分子，同時提高密度和熱值。在分子設計上，團隊設計出兼具高能量、良好低溫流動性與熱穩(wěn)定性的燃料新分子。其中，典型的燃料分子具有張力環(huán)結構，其密度和熱值均超越現(xiàn)有燃料，能量提升幅度達到30%；在合成環(huán)節(jié)，團隊利用自旋催化劑實現(xiàn)目標分子的高收率精準合成，相關催化劑還在環(huán)加成、加氫、制氫等反應中表現(xiàn)突出，其中自旋極化光催化劑使環(huán)加成反應收率提升一倍以上。

　　生物質(zhì)轉(zhuǎn)化制備高密度燃料也是團隊的綠色創(chuàng)新路線。他們基于生物質(zhì)分子的結構特性構建更緊湊、致密的三維分子結構，解決了傳統(tǒng)催化難以實現(xiàn)的立體選擇性合成難題，并且原料來源于可再生生物質(zhì)，催化過程條件溫和、原子經(jīng)濟性高，抑制了副反應產(chǎn)生。

　　高效協(xié)同提升吸熱能力

　　除了需要具備高能量密度，空天燃料還要通過化學反應吸收熱量，發(fā)揮高溫冷卻功能。

　　“當前空天燃料主要存在吸熱能力不足、吸熱過程穩(wěn)定性差兩大問題。”鄒吉軍提到，團隊通過探究燃料分子構效關系，分析燃料分子的熱氧化沉積機理，發(fā)現(xiàn)這些問題的根源在于燃料分子的結構設計與其吸熱反應路徑的催化調(diào)控未能實現(xiàn)高效協(xié)同。

　　對此，團隊通過分子設計與催化調(diào)控實現(xiàn)突破。他們設計具有催化脫氫傾向的燃料分子結構，并創(chuàng)制專用的脫氫催化劑，該催化劑能在燃料經(jīng)歷高溫時高效率、高選擇性地觸發(fā)脫氫反應。這一過程在吸收大量熱量的同時，生成的氫氣可做燃料使用，從而將燃料從被動吸熱轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃踊瘜W反應吸熱。燃料的吸熱能力提升超過20%，同時高選擇性的催化路徑極大抑制了熱裂解結焦，保障了冷卻通道的長時通暢與系統(tǒng)安全。

　　他們開發(fā)的自旋催化劑已應用于高能燃料及精細化學品合成、電解水制氫、有機液體儲氫、氫氧燃料電池等多個領域。團隊開發(fā)了基于自旋光催化的高能燃料合成技術，建成了高能燃料規(guī)模化生產(chǎn)裝置；開發(fā)了電解水制氫—有機液體儲供氫技術，建成國內(nèi)首臺/套撬裝式儲氫與供氫示范裝置。

　　堅守初心打通產(chǎn)業(yè)化鏈條

　　“支撐我們堅持的動力來源于對能源化工中關鍵科學問題的好奇心，以及將前沿科學成果轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力的使命感。”鄒吉軍感慨，每一次實驗突破、每一篇論文發(fā)表、每一項專利落地，都激勵著團隊繼續(xù)前行。

　　在項目推進中，團隊克服重重難關。技術研發(fā)上，面對自旋催化機制不明、催化劑難以定向設計的問題，他們通過理論計算與先進表征結合，揭示了自旋極化/自旋態(tài)的作用機制，進而建立了金屬缺陷、原子對等可控構筑方法。成果轉(zhuǎn)化上，實驗室研制的催化劑難以滿足工業(yè)化要求，他們開發(fā)了催化劑放大制備工藝及燃料連續(xù)化光催化合成工藝，解決了傳統(tǒng)間歇方式能耗高、易結焦的難題，實現(xiàn)了從克級到公斤級再到噸級的穩(wěn)定放大。產(chǎn)業(yè)化落地上，圍繞企業(yè)接受前沿技術難，團隊通過產(chǎn)學研深度合作，為企業(yè)提供技術改造服務，在多家合作單位建成示范裝置，實現(xiàn)多項成果的規(guī)模化應用。

　　鄒吉軍認為，自旋催化有望在二氧化碳還原、固氮、甲烷轉(zhuǎn)化等更復雜的反應中發(fā)揮作用，未來需進一步結合原位表征、人工智能等方法，實現(xiàn)分子設計、催化劑創(chuàng)制和催化過程的自適應與動態(tài)調(diào)控。團隊將繼續(xù)深耕自旋催化在高值化學品、綠氫、低碳能源轉(zhuǎn)化等領域的應用，推動中試放大與工藝集成，布局從實驗室到產(chǎn)業(yè)鏈的技術示范。