蘇州大學(xué)的CO2加氫制甲醇Cu單原子催化劑研究獲進(jìn)展

近日，蘇州大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)C3N4負(fù)載的Cu單原子催化劑，具有定制配位結(jié)構(gòu)，即Cu-N4和Cu-N3，可作為低溫CO2加氫制甲醇的高選擇性和高活性催化劑。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然·通訊》雜志。

工業(yè)上通過提高溫度或壓力促進(jìn)CO2加氫制甲醇反應(yīng)，由于CO2的化學(xué)惰性和加氫過程復(fù)雜，導(dǎo)致催化劑活性與產(chǎn)物選擇性較低。將Cu位點(diǎn)與金屬氧化物(如ZnO，ZrO2，TiO2)復(fù)合的催化劑可用于CO2加氫，但該類催化劑活性和甲醇選擇性低、機(jī)制不明確，開發(fā)高效CO2加氫制甲醇催化劑則具有重要意義。

單原子催化劑(SAC)由于其原子利用率為100%、配位環(huán)境可控、限域效應(yīng)等特性在催化領(lǐng)域引起關(guān)注。目前SAC用于CO2加氫存在以下問題：①在SAC上的CO2加氫過程中，精確調(diào)節(jié)產(chǎn)品選擇性有難度；②SAC在高溫高壓下穩(wěn)定性差；③SAC內(nèi)在結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系尚未明確。因此，需要開發(fā)在溫和條件下對(duì)CO2加氫具有更高活性、選擇性和穩(wěn)定性的高效SAC。

該研究團(tuán)隊(duì)合成了C3N4負(fù)載的Cu SAC，負(fù)載量為12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，可用于低溫CO2加氫；通過改變處理?xiàng)l件系統(tǒng)調(diào)整Cu單原子的配位結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)催化劑性能提升。

研究結(jié)果表明：Cu-N4有利于CO2加氫，通過甲酸鹽途徑形成甲醇；而Cu-N3通過反向水煤氣變換(RWGS)途徑催化CO2加氫生成CO。在反應(yīng)溫度為150 ℃時(shí)，Cu-N4單原子催化劑作用下的甲醇產(chǎn)率為4.2 mmol/(g·h)，甲醇選擇性為95.5%，甲醇產(chǎn)率比商用Cu/ZnO/Al2O3高3.2倍。