中國科學(xué)院低碳轉(zhuǎn)化科學(xué)與工程重點實驗室的CO2加氫催化劑開發(fā)獲進(jìn)展

近日，由中國科學(xué)院低碳轉(zhuǎn)化科學(xué)與工程重點實驗室暨中國科學(xué)院上海高等研究院與上海科技大學(xué)低碳能源聯(lián)合實驗室組成的研究團(tuán)隊在CO2催化加氫催化劑研究中取得進(jìn)展，實現(xiàn)了更高性能氧化銦催化劑的理性設(shè)計與合成，相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上。

太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)等可再生能源耦合CO2催化加氫反應(yīng)，是甲醇、汽油等液體燃料的綠色可持續(xù)合成途徑，也是循環(huán)經(jīng)濟(jì)包括“液態(tài)陽光”和“甲醇經(jīng)濟(jì)”的重要一環(huán)，并可用于其他基礎(chǔ)化學(xué)品的合成，如烯烴、芳烴等。氧化物催化體系在該反應(yīng)中具有優(yōu)勢，受到國內(nèi)外研究者的關(guān)注，但需進(jìn)一步提升此類催化劑的反應(yīng)性能，才有望在CO2加氫領(lǐng)域工業(yè)應(yīng)用。

該研究團(tuán)隊探究了立方相氧化銦{110}晶面催化CO2加氫反應(yīng)機(jī)制，通過密度泛函理論計算發(fā)現(xiàn)該表面可形成兩個截然不同的二氧化碳吸附結(jié)構(gòu)，且分別對應(yīng)于目標(biāo)產(chǎn)物甲醇和副產(chǎn)物一氧化碳的生成路徑。為了快速搜索更有利于甲醇生成的氧化銦催化劑，研究人員擴(kuò)大了計算范圍，考察了氧化銦主要晶相及其相對穩(wěn)定的晶面，并根據(jù)理論計算得到的反應(yīng)路徑建立了定性的催化性能預(yù)測模型。

根據(jù)理論模型預(yù)測，一種熱力學(xué)亞穩(wěn)定的六方相氧化銦的{104}晶面會在CO2加氫反應(yīng)中表現(xiàn)出更高的活性和甲醇選擇性。該研究團(tuán)隊采用簡單的合成方法制備出具有不同晶相和形貌的氧化銦材料，同時進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和波譜表征，考察其在CO2加氫反應(yīng)中的催化性能，建立氧化銦催化劑的構(gòu)效關(guān)系。一種暴露了{(lán)104}晶面的六方相氧化銦納米材料在反應(yīng)中表現(xiàn)出最高的催化活性和甲醇選擇性。

另外，該材料即使在360 ℃的高溫反應(yīng)條件下，仍保持極高的甲醇選擇性(>70%)，此時，甲醇的時空產(chǎn)率達(dá)到10.9 mmol/(g·h)，高于之前報道的催化劑，包括傳統(tǒng)氧化銦催化劑及銅基催化劑。

該研究結(jié)果展示了計算科學(xué)應(yīng)用于工業(yè)催化劑輔助設(shè)計的潛力，其所發(fā)現(xiàn)的高性能氧化銦催化劑有望被用于CO2加氫制甲醇的工業(yè)過程，也將推動CO2加氫制低碳烯烴、汽油及芳烴等高碳烴的氧化物/分子篩雙功能催化劑的研發(fā)與工業(yè)應(yīng)用。