近日，大连化物所氢能与先进材料研究部碳资源小分子与氢能利用研究组（DNL1905组）孙剑研究员和俞佳枫研究员团队在二氧化碳（CO2）加氢制甲醇研究中取得新进展，提出催化活性位点“空间解耦”的设计新策略，使原本热力学有利的氧化还原路径（产物为CO）向热力学不利的甲酸盐路径（产物为甲醇）转变，抑制了副产物CO生成，即使提高反应温度也能维持高的甲醇选择性，为破解该领域活性与选择性难以兼顾的“跷跷板”难题提供了新思路。
甲醇是重要的化工原料和潜在的碳中性燃料，其高效合成对于实现碳资源循环利用具有重要意义。CO2加氢制甲醇为低温有利反应，然而，低温下CO2难以活化，催化剂活性低；高温虽有利于提升转化率，但易促进逆水气变换副反应，降低甲醇选择性。活性与选择性之间的“跷跷板”效应长期制约着甲醇合成收率的提升。
孙剑研究团队长期致力于二氧化碳加氢转化的亚稳态催化材料的开发（Angew. Chem., Int. Ed.，2023；Angew. Chem., Int. Ed.，2024；Nat. Chem.，2024；Appl. Catal. B: Environ. & Energy，2026）。在前期工作中，团队发现粉末磁控溅射（Sputtering, SP）技术的高能等离子体轰击可改变铜（Cu）原子电子结构（Sci. Adv.，2018），并在Cu纳米颗粒上诱导金属-载体强相互作用（SMSI）（Nat. Commun.，2021）。基于上述研究基础，在本工作中，团队利用SMSI驱动所形成的包覆层结构对活性位点进行“空间解耦”，将CO2活化位点与H2解离位点在空间上分离，使CO2优先在二氧化锆（ZrO2）上吸附活化，并遵循“甲酸盐”路径合成甲醇。与Cu位点上CO2的活化方式（先断C=O键后加氢）不同，该设计巧妙地利用ZrO2位点上先加氢后断C=O键的活化方式，抑制了副产物CO的生成，同时保留了Cu位点高效的H2解离能力。该CuZnZr催化剂在300℃、3MPa的反应条件下，甲醇选择性为92%，甲醇时空收率达到1.2 g·gcat-1·h-1，是现有商业铜锌铝催化剂的3倍。本工作通过重塑催化剂的表面结构，改变反应物的吸附解离方式及反应路径，打破了活性与选择性的“跷跷板”限制，为多功能催化剂的精准设计提供了新思路。
相关研究成果以“Disentangling the activity-selectivity trade-off in CO2 hydrogenation to methanol”为题，于近日发表在《化学》（Chem）上。该工作的第一作者是大连化物所DNL1905组博士研究生Habib Zada。上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、辽宁滨海实验室等项目的支持。
