化学学院谭理团队在《Nature Catalysis》杂志发表原创性研究成果
2022-09-19 阅读次数: 作者:

化学学院谭理团队在《Nature Catalysis》杂志发表原创性研究成果

   近日,福州大学化学学院谭理课题组与复旦大学刘智攀课题组合作在单原子催化剂用于二氧化碳热催化合成甲醇领域取得突破性进展,相关研究成果以“The role of Cu1–O3 species in single-atom Cu/ZrO2 catalyst for CO2 hydrogenation”为题发表在催化学科国际顶级期刊Nature Catalysis (DOI:10.1038/s41929-022-00840-0)。文章第一作者为福州大学化学学院在读博士生赵慧博,通讯作者为谭理副教授及复旦大学刘智攀教授,福州大学为第一通讯单位。

CO2的减排利用已经成为了全球面临的重要“3E问题(能源、环境、经济)之一。而CO2加氢制备甲醇是CO2化学利用的有效途径之一,研究工作是福州大学新一轮双一流建设的重要成果,标志着福州大学在利用CO2部分取代化石原料转化合成高价值化学品方面取得了重要突破,为践行我国碳达峰、碳中和这一重大战略需求做出相应贡献。

该研究工作针对传统铜基甲醇合成催化剂中活性位点复杂,构效关系模糊的难题,设计制备出低温稳定的单原子铜基催化剂(Cu1/无定型ZrO2),其清晰的活性位点结构以及单一的产物分布清楚地揭示了催化剂结构与性能间的关系。

本工作主要亮点如下:1)在无定型氧化锆表面成功构建出Cu1-O3准平面结构的单原子的铜基催化剂,并首次在流动相反应体系中实现了CO2合成含氧化物过程,拓展了单原子催化剂的应用前景与范围。相比于传统铜锆催化剂,其在低温条件下对甲醇具有最高的TOF值与100%的选择性;2)原位高压红外以及理论计算表明反应过程遵循CO2→HCOO*→CH3O*→CH3OH的反应机理,其中HCOO*→CH3O*为反应的决速步骤;3)对Cu/ZrO2催化剂而言,孤立铜位点(Cu1-O3)为甲醇合成的有效活性位点,Cu纳米团簇或者小纳米颗粒为RWGS反应产生CO的活性中心,而较大尺寸的铜颗粒则不具有在较低温度下活化CO2的能力。

 

本工作揭示了二氧化碳加氢活性和甲醇选择性对Cu/ZrO2催化剂表面铜物种结构的强烈依赖性。铜单原子催化剂所揭示的特殊几何构型与独特活性间的内在关系为深刻认识铜基催化剂在CO2加氢过程中的作用提供了新的切入点,而首次利用单原子Cu催化剂在流动相反应体系中实现CO2合成含氧化物过程,也进一步拓展了单原子催化剂的应用范围,填补了该领域目前的空白。