近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二維材料與能源小分子轉(zhuǎn)化創(chuàng)新特區(qū)研究組研究員鄧德會(huì)團(tuán)隊(duì)，與廈門(mén)大學(xué)教授王野團(tuán)隊(duì)合作，在二氧化碳（CO₂）催化加氫制甲醇研究中取得重要進(jìn)展，首次利用富含硫空位的少層二硫化鉬（MoS₂）催化劑，實(shí)現(xiàn)了低溫、高效、長(zhǎng)壽命催化CO₂加氫制甲醇，其活性與選擇性均顯著優(yōu)于商品Cu/ZnO/Al₂O₃催化劑，并顯示出優(yōu)異的穩(wěn)定性。該催化劑為實(shí)現(xiàn)低能耗、高效率的CO₂轉(zhuǎn)化利用開(kāi)辟了新途徑。

CO₂的高效轉(zhuǎn)化利用對(duì)緩解能源危機(jī)及實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)具有重要的戰(zhàn)略意義。利用基于可再生能源的綠色氫氣（H₂）與CO₂反應(yīng)制備甲醇是重要的途徑。傳統(tǒng)的金屬氧化物催化劑通常需要較高的反應(yīng)溫度（>300oC）來(lái)催化CO₂加氫制甲醇，往往伴隨著嚴(yán)重的逆水煤氣變換（RWGS）反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)生大量副產(chǎn)物一氧化碳（CO）。在金屬氧化物催化劑中引入過(guò)渡金屬組分可促進(jìn)H₂的活化從而降低反應(yīng)溫度，卻易導(dǎo)致CO₂過(guò)度加氫到甲烷（CH₄），從而降低甲醇的選擇性。金屬/金屬氧化物催化CO₂加氫制甲醇體系中活性與選擇性的相互制約，限制了其低溫催化性能的提升。因此，為實(shí)現(xiàn)CO₂低溫高效加氫制甲醇，亟須尋求新的催化劑體系。

鄧德會(huì)團(tuán)隊(duì)致力于二維催化材料與能源小分子轉(zhuǎn)化研究，前期在調(diào)控二維MoS₂的催化活性研究中取得系列進(jìn)展（Nat. Commun.，2020；Angew. Chem. Int. Ed.，2020；Nano Energy，2020；Nano Energy，2019；Chem. Rev.，2019；Nat. Commun.，2017；Energy Environ. Sci.，2015）。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)與王野團(tuán)隊(duì)合作研究發(fā)現(xiàn)，富含硫空位的少層MoS₂可在低溫甚至室溫下將CO₂和H₂同時(shí)直接活化并解離，從而能夠高活性、高選擇性地催化CO₂低溫加氫到甲醇，并有效抑制了甲醇的過(guò)度加氫。該催化劑在180oC下，CO₂單程轉(zhuǎn)化率可達(dá)12.5%，同時(shí)甲醇選擇性可達(dá)94.3%，顯著優(yōu)于商品Cu/ZnO/Al₂O₃催化劑以及此前報(bào)道的催化劑。此外，該催化劑的活性和選擇性在180oC下能夠穩(wěn)定地維持3000小時(shí)而未見(jiàn)衰減，表現(xiàn)出優(yōu)異的工業(yè)應(yīng)用潛力。原位表征與理論計(jì)算研究結(jié)果顯示，MoS₂面內(nèi)硫空位是催化CO₂高選擇性加氫到甲醇的活性中心。該研究揭示了二維MoS₂的硫空位在催化反應(yīng)中的應(yīng)用潛力，為開(kāi)發(fā)CO₂加氫新型催化劑提供了新思路。

3月22日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-催化》（Nature Catalysis）上。此外，《自然-催化》同期還以《不同尋常的空位催化》（Catalysis by Unusual Vacancies）為題，刊發(fā)了評(píng)述文章。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心、重大項(xiàng)目，中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（B類(lèi)）“功能納米系統(tǒng)的精準(zhǔn)構(gòu)筑原理與測(cè)量”，以及教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等的資助。

大連化物所實(shí)現(xiàn)低溫、高效、長(zhǎng)壽命二氧化碳催化加氫制甲醇