中國(guó)科學(xué)院低碳轉(zhuǎn)化科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的CO2加氫催化劑開(kāi)發(fā)獲進(jìn)展

近日，由中國(guó)科學(xué)院低碳轉(zhuǎn)化科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室暨中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院與上?？萍即髮W(xué)低碳能源聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室組成的研究團(tuán)隊(duì)在CO2催化加氫催化劑研究中取得進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了更高性能氧化銦催化劑的理性設(shè)計(jì)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(yáng)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(yáng)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(shì)，受到國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注，但需進(jìn)一步提升此類(lèi)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(duì)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(guò)密度泛函理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)該表面可形成兩個(gè)截然不同的二氧化碳吸附結(jié)構(gòu)，且分別對(duì)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(jì)算范圍，考察了氧化銦主要晶相及其相對(duì)穩(wěn)定的晶面，并根據(jù)理論計(jì)算得到的反應(yīng)路徑建立了定性的催化性能預(yù)測(cè)模型。

根據(jù)理論模型預(yù)測(cè)，一種熱力學(xué)亞穩(wěn)定的六方相氧化銦的{104}晶面會(huì)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(duì)采用簡(jiǎn)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(shí)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(shí)，甲醇的時(shí)空產(chǎn)率達(dá)到10.9 mmol/(g·h)，高于之前報(bào)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(jì)算科學(xué)應(yīng)用于工業(yè)催化劑輔助設(shè)計(jì)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(guò)程，也將推動(dòng)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。