CO2加氫制甲醇Cu/ZnOx/ZrO2催化劑研究獲進(jìn)展

近日，廈門大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)采用共沉淀法制備Cu/ZnOx/ZrO2催化劑，將金屬顆粒限域在孔道中，經(jīng)焙燒后暴露出更多的催化活性位點(diǎn)，提高了催化劑性能。

傳統(tǒng)工業(yè)CO2制甲醇催化劑Cu/ZnO/Al2O3在200～300 ℃、5～10 MPa的反應(yīng)條件下，其催化性能較差，難以滿足需求，開發(fā)廉價(jià)、易得、高效的工業(yè)催化劑迫在眉睫。

目前，該領(lǐng)域催化劑主要包括銅基、貴金屬和其他催化體系。貴金屬催化劑由于其價(jià)高難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化；Cu基催化劑綜合性能優(yōu)而被廣泛使用，Cu/ZnO催化劑因其價(jià)格低廉且易于改性具有工業(yè)應(yīng)用潛力，但存在穩(wěn)定性差、產(chǎn)物選擇性低的特點(diǎn)。Cu/Zn界面是該催化過程的主要活性位點(diǎn)，但在高溫、高壓下，金屬界面處易發(fā)生相分離，Cu顆粒逐漸團(tuán)聚，從而導(dǎo)致甲醇選擇性下降。因此精確設(shè)計(jì)催化劑的Cu/Zn界面并在反應(yīng)過程中保持其納米級(jí)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

研究團(tuán)隊(duì)通過共沉淀法將金屬物種負(fù)載到UiO-66孔道中，采用高溫焙燒破壞UiO-66結(jié)構(gòu)制得Cu/ZnOx/ZrO2催化劑，使更多的活性位點(diǎn)和金屬界面暴露出來，從而提高催化劑性能。

X射線衍射表征結(jié)果顯示，MOF結(jié)構(gòu)在焙燒后發(fā)生分解，UiO-66分解成ZrO2，表面的Cu和Zn金屬暴露在外。當(dāng)反應(yīng)溫度為200 ℃時(shí)，催化劑轉(zhuǎn)化率為5.7%，選擇性超過90%。該催化劑甲醇收率和時(shí)空收率(STY)是Cu/ZnOx@UiO-66的5倍以上，當(dāng)反應(yīng)溫度升至260 ℃時(shí)，STY是Cu/ZnOx@UiO-66的3倍。與工業(yè)催化劑Cu/ZnO/Al2O3相比，在相同反應(yīng)條件下，Cu/ZnOx/ZrO2催化劑在CO2轉(zhuǎn)化率、甲醇選擇性和收率等方面具有明顯優(yōu)勢，STY是工業(yè)催化劑的2倍以上，且該催化劑連續(xù)測試50 h以上時(shí)，其催化活性仍與初始狀態(tài)相當(dāng)，具有工業(yè)應(yīng)用潛力。

該研究有利于解決催化劑中的Cu和ZnO相在高溫反應(yīng)過程中易分離而導(dǎo)致催化活性位點(diǎn)相對(duì)較少的問題。同時(shí)該設(shè)計(jì)理念可為以多孔材料為模板合成其他含金屬復(fù)合材料，以提高其催化性能提供借鑒。