研究实现二氧化碳高选择性高稳定性加氢合成甲醇

最近，中国科学院大连化学研究所催化基金会国家重点实验室的王博士、院士等研制了一种双金属固溶体氧化物催化剂，实现了二氧化碳高选择性、高稳定性加氢制甲醇。相关的研究成果以美国科学进步协会发表的科学进步研究论文的形式发表。

二氧化碳减排引起了国际社会的广泛关注。利用太阳能等可再生能源，通过光催化、光电催化或电解水制氢，通过二氧化碳加氢生产燃料和甲醇等化学品，是实现二氧化碳减排和碳资源可持续利用的最可行策略。从科学理解自然光合作用的角度来看，二氧化碳加氢制甲醇是利用太阳能生产液体燃料的重要途径，这与光合作用中的暗反应效应相吻合。美国南加州大学的诺贝尔化学奖获得者奥拉教授的团队提出了前瞻性的“甲醇经济”概念来转化二氧化碳。李灿团队强调基于可再生能源实现二氧化碳的碳资源利用。甲醇是一种重要的平台化学分子。甲醇可用于生产烯烃、芳烃和其他散装化学品以及汽油和柴油，也可直接用作燃料或燃料添加剂。目前，实现二氧化碳加氢制甲醇产业化的瓶颈在于发展高效太阳能和可再生能源制氢技术以及高选择性、高活性的二氧化碳加氢制甲醇催化技术。

李灿团队长期致力于太阳能光催化、光电催化和电解水制氢的研究。近年来，还开展了CO2+H2的研究，以实现人造光合成太阳能燃料的战略。在CO2+H2过程中，提高甲醇的选择性是CO2加氢转化的最大挑战。例如，当用于从合成气制备甲醇的传统铜基催化剂应用于二氧化碳加氢制备甲醇时，突出的问题是甲醇选择性低(50-60%)，此外，反应产生的水加速了铜基催化剂的失活。本工作开发了一种不同于传统金属催化剂的双金属固溶体氧化物催化剂氧化锌-氧化锆。当CO2单程转化率超过10%时，甲醇选择性保持在90%左右，是目前同类研究中最好的综合结果。研究表明，该催化剂的固溶体结构提供了双活性中心反应位点——锌和锆，其中H2和CO2分别在靠近原子的锌位和锆位被活化，在CO2加氢过程中表现出协同效应，从而可以高选择性地生成甲醇。原位红外-质谱同位素实验和密度泛函理论计算表明，表面羟基和羟基是反应的主要活性中间体。这项工作为二氧化碳加氢制甲醇开辟了一条新的途径。

此外，该催化剂连续运行500小时后没有失活现象，具有优异的抗烧结性和一定的抗硫性，显示出良好的工业应用前景。传统的用于甲醇合成的铜基催化剂要求原料气的硫含量小于0.5ppm，催化剂的抗硫性无疑可以大大降低原料气的净化成本，从而在工业应用中显示出潜在的优势。上述相关成果已申报4项中国发明专利和1项国际专利。