含有6个碳原子以上的高碳醇（C₆₊醇）在制药、食品、化工等领域有广泛的应用。例如，正己醇被用于制取防腐剂和安眠药，正辛醇被用于制取香精、化妆品等，2-乙基-1-己醇则被用来制备增塑剂等百万吨级的化工原料。除此之外，C₆、C₈醇还被认为是极具吸引力的生物燃料，与目前广泛应用的甲醇、乙醇等低碳醇燃料相比，具有更高的能量密度和十六烷值，同时能与柴油以任意比例混溶，不用对现有发动机进行改造。高碳醇作为燃料添加剂的使用，不仅能减少化石燃料的消耗，还能改善柴油品质，减少SO_x、NO_x、CO等有毒气体的排放，对于节能减排和实现“双碳目标”有非常积极的作用。

目前，工业上生产高碳醇最普遍的方法是羰基合成法，但该方法以化石能源为原料，且技术复杂，是一个能源密集的过程，亟需找到一条绿色环保的替代工艺路线。利用乙醇的Guerbet反应制备高碳醇流程简单，过程清洁，原料来源可持续，是一条节能环保的绿色路径。该反应是Guerbet在1899年发现的醇与醇缩合形成长链醇的反应，过程如图1所示。最初，Guerbet反应主要被用于研究丁醇制备2-乙基-1-己醇的反应，后来被广泛应用于不同醇之间的交叉偶联。进入21世纪以来，随着生物乙醇的蓬勃发展，利用乙醇制备丁醇的研究逐渐增多，其技术日趋成熟，基于此，更多研究者放眼于利用乙醇的Guerbet反应将其催化转化为附加值更高，燃烧性能更好的C₆₊醇。目前，应用于该反应的催化剂主要有金属氧化物，羟基磷灰石等非负载型催化剂，以及活性位点得以更好分散调控的负载型金属催化剂等。本文主要介绍了近年来乙醇缩合制备高碳醇过程中这两类催化体系的研究进展，并对未来催化剂的设计进行了展望，以期为该领域的发展提供新思路。

2006年，Tsuchida等首次利用HAP在固定床反应器中催化乙醇缩合。在400℃下，得到了57.4%的乙醇转化率和13.7%的C₆₊醇选择性，在温度升高到450℃以后，C₆₊醇不增反降，产物中出现了大量的气体和芳烃副产物。该作者在实验中发现乙醛是反应中间体，反应路径遵循Guerbet反应。接着他们研究了不同钙磷比（Ca/P）的HAP对反应的影响，在Ca/P比为1.59时，产物中没有醇的生成，有高达87.3%的乙烯生成，Ca/P比越接近1.67（HAP化学计量比），产物中总醇和C₆₊醇的选择性越高。表征结果表明，随着Ca/P比增加，HAP的酸性位点逐渐减少，碱性位点明显增多，说明乙醇在酸性位点较多时，容易发生脱水反应，而碱性位点较多时，则容易发生Guerbet反应。Ogo等以锶取代钙的Sr-HAP为催化剂，也得到了同样的结论。但即使在Ca/P比为1.67的碱性位最多的HAP上，C₆₊醇的选择性也没有超过15%。

2016年，Moteki等通过研究乙醇在HAP上反应的动力学结果发现乙醇缩合产物的碳数分布与采用阶梯增长模型预测的结果非常吻合。如图2所示，当α增加到0.3时，反应器出口中C₄~C₁₂产物的质量分数几乎单调增加，这些C₄~C₁₂产物中Cn的质量分数与阶梯聚合模型预测的所有物种的选择性密切匹配，见式(1)。

式中，W_C2i、W0、C_2i分别为体系中C_2i物质的质量、初始单体的质量、聚合物的碳数；α是反应中参与反应的官能团占总官能团的分数，代表了反应进程。这些结果表明，由于动力学的限制，很难通过改变反应条件去控制产物分布。要增加高碳醇的选择性，需要设计合适的催化剂打破这种分布。Hanspal等采用多产物稳态同位素瞬态动力学分析（SSITKA）研究了乙醇在HAP上的缩合反应。结果显示，在340℃下，生成乙醛的反应中间体在HAP表面上的平均停留时间明显短于生成丁醇的反应中间体，说明与形成C—C键相比，乙醇脱氢的速度更快，也就是说，在该条件下，羟醛缩合是控制步骤，这可能是高碳醇选择性低的根本原因。

同年，Ho等根据原位滴定和光谱实验结果提出了一个详细的乙醇在HAP上的反应机理，如图3所示，乙醇首先在Ca-O碱性活性中心上生成乙醛，然后迁移到相邻的CaO/PO₄^3-酸碱对上形成巴豆醛，然后巴豆醛在Ca-O碱性位点通过Meerwein-Ponndorf-Verley（MPV）机理与乙醇进行氢转移生成丁醇。生成的醇继续自偶联或交叉偶联就会生成高碳醇。从图3不难看出，[Ca-O-P]酸碱对的存在催化了羟醛缩合过程，促进了C—C键的形成。

2019年，Lu课题组制备了长径比大于400的HAP纳米线（HAP-W），将富含[Ca-O-P]位点的a面尽可能多地暴露在表面，并与HAP纳米棒（HAP-R）和HAP纳米纤维（HAP-F）进行了对比。在相同反应条件下，乙醇的转化率都在15%左右，高碳醇选择性从高到低依次为HAP-W>HAP-F>HAP-R。表征结果显示，三个催化剂表面[Ca-O-P]位点的密度差距明显，大小与对高碳醇的选择性高低顺序一致。该作者在研究中发现，C—C键形成速率随[Ca-O-P]的表面密度呈线性增长关系，因此HAP-W上高碳醇的选择性最高。优化反应条件后，高碳醇的选择性达到了63.8%，这在目前的报道中是最高的。但是文献中认为高碳醇是由两分子低碳醇直接脱水偶联生成，而非Guerbet反应路径，这也是目前高温下乙醇缩合生成高碳醇的反应路径存在争议的地方。无论如何，上述结果表明，通过对催化剂表面调控，可以加快C—C键偶联速率，从而改变产物分布。而HAP本身组成的灵活性增加了对其改性的多样性，比如对Ca²⁺、PO₄^3-和OH^-地部分取代。因此，基于反应机理进一步对HAP表面进行精细调控可能会得到更好的结果，打破阶梯增长的规律。

2021年，Brasil等首次用密度泛函理论（DFT）研究了HAP（0001）表面上乙醇的Guerbet缩合路径。HAP（0001）表面是热力学首选的表面形态，具有两种类型的吸附位点:带正电荷的Ca²⁺离子和带负电荷的PO₄^3-基团，可分别作为路易斯酸位点（*A）和路易斯碱位点（*B）。计算得到最佳反应路径如图4虚线框中所示，在碱性位点上，乙醇的羟基脱质子化，然后α-C抽氢生成乙醛。结合图5可知，在乙醛的羟醛缩合过程中，首先乙醛的α-C在碱性位点上去质子化，继而在酸碱对上形成较稳定的中间体，然后去攻击吸附在旁边酸性位点上乙醛的羰基碳进行亲核加成，最后质子化完成羟醛缩合反应。理论计算结果和Ho等的实验结果一致，表明[Ca-O-P]位点在促进羟醛缩合形成C—C键中起着关键作用。遗憾的是，该模型忽略了HAP各向异性的表面性质。未来要通过理论计算对催化剂设计进行指导还需更进一步完善该模型，考虑更复杂的催化剂表面，更多的反应步骤以及各反应步骤与催化剂结合后的能垒变化等。

（虚线框内是最佳反应路径，数字表示活化能，单位为kJ/mol）

很多金属氧化物或金属氧化物混合物因为具备酸碱多功能性也被广泛用于催化乙醇Guerbet缩合，其中最具代表性的就是水滑石或改性后的类水滑石催化剂。2016年，Ramasamy等在350℃下分别用MgO、Al₂O₃和Mg/Al为3∶1的混合氧化物MgO-Al₂O₃催化乙醇缩合，结果只有在MgO-Al₂O₃上有不到10%的C₆₊醇生成。证明了酸碱对的存在对于羟醛缩合的重要性，这与在HAP上的结论一致。2019年，Benito等使用Cu替换水滑石中的一部分Mg对水滑石进行改性，并在间歇式反应釜中进行了乙醇缩合反应。结果如图6(b)所示，Cu的加入降低了反应温度，高碳醇的选择性也达到了30%以上，但是随着铜含量的增加，乙醇的转化率和高碳醇的选择性都呈现下降的趋势。CO₂-TPD表征结果显示，催化剂碱性位点密度随着Cu含量的增加而下降，如图6(a)所示，三个催化剂的碱性位点密度大小依次为Cu1.0（0.358mmol/g）>Cu2.8（0.276mmol/g）>Cu7.6（0.215mmol/g）。上述结果与Summa等的研究一致，其原因可认为是过多的Cu²⁺取代Mg²⁺造成了催化剂碱性位点的减少，而这也直接导致羟醛缩合效率下降，高碳醇选择性降低。

在整个乙醇Guerbet缩合反应中，羟醛缩合是形成碳碳键的关键步骤，在多数情况下，也是该反应的控速步骤，尤其是对于生成高碳醇来讲。如图5所示，羟醛缩合反应中醛的α-C需要先去质子化然后攻击另一个醛分子的羰基碳进行亲核加成形成碳碳键。George等的研究表明，醛的去质子化是羟醛缩合过程中的控速步骤。而在醛去质子化的过程中，烯醇负离子的形成受醛的α-H的pK_a控制，由于诱导效应，pK_a会随着碳链的增长而增加，所以碳链较长的醛（比如丁醛、己醛）相比乙醛更难被活化，但是可以通过提高催化剂的碱性促进长链醛的去质子化，使更多的长链醛参与到羟醛缩合反应中来，从而达到提高高碳醇选择性的目的。基于此，2020年，Perrone等使用La替代一部分Al来增强类水滑石催化剂的碱性，结果显示La的加入，使得催化剂的碱性位点数量相比原来提高了1.85倍。从反应结果看，La的加入大大提高了高碳醇的选择性，超过了50%，成为反应中的主要产物。

表1　用于乙醇缩合反应的部分催化剂总结

Ni因为其优异的性能和相对廉价的成本，被广泛应用于该类催化体系中。与非负载型催化剂一样，在金属负载型的催化剂上，金属位点和酸碱位点之间的比例和分布也是影响高碳醇选择性的关键原因之一。Jordison等用γ-Al₂O₃负载质量分数8%的金属Ni作为催化剂，在230℃下，乙醇转化率为15%，但高碳醇选择性只有6%。该作者认为该体系中金属Ni促进乙醇的脱氢和不饱和醛的加氢，载体上的酸碱活性位点负责羟醛缩合，产物中醇少的原因可能是催化剂碱性位点数量和强度不够，因此通过加入La₂O₃来增强催化剂的碱性。在相同反应条件下，转化率较改性前增加到了18%，高碳醇的选择性增加到了10%，在优化反应条件后，乙醇的转化率可以达到55%，高碳醇的选择性达到了20%。Pang等利用MgO对Al₂O₃进行改性，得到了与Jordison等类似的结果，进一步优化了Ni的负载量，当Ni含量从0增加到19.5%时，乙醇转化率从0.5%单调增加到18.8%，总醇和高碳醇的选择性也从58%和1%增加到了85%和29.8%，当Ni含量进一步增加至45.2%时，醇的选择性显著降低，大量气态副产品产生，包括氢气、一氧化碳、甲烷和二氧化碳。实验表明Ni的加入有效的促进了乙醇的脱氢，但过量Ni的存在也促进了乙醇中C—C键的断裂。Wang等将Ni与CeO₂负载在活性碳上在间歇反应釜中进行该反应，也得到了类似的规律。因此，对于负载型金属催化剂而言，酸碱位点和金属位点的数量和分布极为重要。

对于多相催化体系来讲，除了催化剂表面的活性位点，催化剂的形貌或结构也会对反应产生很大的影响。本文作者课题组将Ni负载在以废弃猪骨为前体制备的介孔生物质羟基磷灰石（BAP）上，在200℃得到了超过60%的高碳醇选择性，而无孔BAP上的高碳醇选择性不超过15%。实验和表征结果表明，介孔结构的存在一方面增加了载体表面可接触的活性位点的数量；另一方面，对于这种串联反应，介孔结构的限阈效应有效延长了中间产物在催化剂上的停留时间，加深了反应程度，最终增加了碳链长度，反应路径如图8所示。

表2　用于乙醇缩合反应的部分金属负载型催化剂总结

乙醇缩合制备高碳醇的各类催化剂的研究近年得到了广泛关注，但工业化应用还都存在一定的问题。对于非负载型催化剂来讲，无论是LDHs还是HAP，反应条件相对苛刻，而且高碳醇选择性较低，即使继续升高温度，对于高碳醇选择性的提升也有限，因为此时会伴随大量的气体副产物生成。在此背景下，过渡金属因为其优异的脱氢性能被负载在上述材料上作为乙醇转化为高碳醇的催化剂，增强了催化剂的活性，降低了反应温度。但是目前仍存在两个主要问题：①高碳醇的收率依然不高，大多数催化体系中的主产物还是丁醇；②过渡金属较强的C—C键断裂能力导致反应产物中CH₄、CO、CO₂等气体产物较多，影响液相收率和总醇选择性。

为解决以上问题，还需进一步开展相应的研究。

（1）对金属位点进行精细调控。① 对金属纳米颗粒的大小以及暴露的晶面进行精准控制，以提高其活化碳氢键的能力，减弱其断裂C—C键的能力；② 利用Cu、Fe、Sn等断C—C键能力较弱的金属对Pd、Ni、Co等活性较高的金属进行调控，制备双金属甚至多金属催化剂，在保持其脱氢能力的基础上减弱其断裂C—C键的能力，提高总醇的选择性。

（2）酸碱活性位点数量的最佳平衡。酸碱活性位点的平衡不仅仅指减少乙醇脱水副产物乙烯、乙醚等的生成，更重要的是增强催化剂本身促进羟醛缩合的能力，使催化剂在氢转移和羟醛缩合之间更倾向于优先进行羟醛缩合，这样能进一步提高高碳醇的选择性。

（3）催化剂结构的设计。目前关于催化剂结构对于该反应的影响研究还比较少，但是对于这种串联反应来讲，设计针对性的纳米催化剂结构（比如介孔结构、核壳结构），对于加深反应程度，获得碳链更长的高碳醇而言大有裨益。

开发更高效稳定的催化剂实现生物乙醇向高碳醇的转化，既能降低高碳醇生产成本，也将进一步拓宽生物乙醇的应用前景，促进生物乙醇经济的发展。