廈門(mén)大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的CO2低溫催化加氫制甲醇研究獲進(jìn)展

由廈門(mén)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所等單位組成的研究團(tuán)隊(duì)在CO2催化加氫制甲醇研究中取得進(jìn)展，利用富含硫空位的少層二硫化鉬(MoS2)催化劑實(shí)現(xiàn)低溫、高效、長(zhǎng)壽命催化CO2加氫制甲醇。催化劑的活性與選擇性均優(yōu)于Cu/ZnO/Al2O3催化劑，并具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。該研究成果發(fā)表于《自然·催化》雜志上。

CO2的高效轉(zhuǎn)化利用對(duì)緩解能源危機(jī)以及實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)具有重要的戰(zhàn)略意義。利用基于可再生能源的綠色氫氣(H2)與CO2反應(yīng)制備甲醇是一條重要的途徑。從能量效率的角度來(lái)說(shuō)，低溫、節(jié)能的CO2加氫制甲醇工藝更具吸引力。由于該反應(yīng)催化劑的催化活性和選擇性很難兼顧，目前仍具有挑戰(zhàn)，因此開(kāi)發(fā)更高效的CO2低溫加氫催化劑具有潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

通常，傳統(tǒng)金屬氧化物催化劑需300 ℃以上的反應(yīng)溫度，常伴隨嚴(yán)重的逆水煤氣變換反應(yīng)，產(chǎn)生大量副產(chǎn)物CO。在金屬氧化物催化劑中引入過(guò)渡金屬組分可以促進(jìn)H2的活化從而降低反應(yīng)溫度，但容易導(dǎo)致CO2過(guò)度加氫產(chǎn)生甲烷，降低產(chǎn)物甲醇選擇性。

該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：MoS2基催化劑在催化電解水產(chǎn)H2方面性能優(yōu)異；通過(guò)調(diào)變MoS2自身結(jié)構(gòu)，可以開(kāi)發(fā)出具有豐富硫空位的MoS2。在H2預(yù)處理的多層二硫化鉬納米片上，將CO2在二硫化鉬納米片的硫空位上解離，產(chǎn)生與表面結(jié)合的CO和O2，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)CO2到甲醇的高效低溫氫化。

該研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合多種原位光譜、微觀結(jié)構(gòu)表征和理論計(jì)算對(duì)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行研究。結(jié)果表明，H2預(yù)處理可以從二硫化鉬晶格的基面和邊緣去除硫原子，從而導(dǎo)致面內(nèi)和邊緣硫空位的共存。面內(nèi)硫空位可以抑制CO2深度氫解為甲烷從而驅(qū)動(dòng)CO2選擇性加氫為甲醇，而邊緣空位則促進(jìn)過(guò)度加氫生成甲烷。在180 ℃下，該催化劑在12.5%的CO2轉(zhuǎn)化率下獲得94.3%的甲醇選擇性。該催化劑在超過(guò)3 000 h的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出高穩(wěn)定性并且沒(méi)有失活，該催化劑為實(shí)現(xiàn)低能耗、高效率的CO2轉(zhuǎn)化利用開(kāi)辟了新途徑。