蘇州大學的CO2加氫制甲醇Cu單原子催化劑研究獲進展

近日，蘇州大學的研究團隊開發C3N4負載的Cu單原子催化劑，具有定制配位結構，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。相關研究成果發表于《自然·通訊》雜志。

工業上通過提高溫度或壓力促進CO2加氫制甲醇反應，由于CO2的化學惰性和加氫過程復雜，導致催化劑活性與產物選擇性較低。將Cu位點與金屬氧化物(如ZnO，ZrO2，TiO2)復合的催化劑可用于CO2加氫，但該類催化劑活性和甲醇選擇性低、機制不明確，開發高效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%、配位環境可控、限域效應等特性在催化領域引起關注。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，精確調節產品選擇性有難度；②SAC在高溫高壓下穩定性差；③SAC內在結構-性能關系尚未明確。因此，需要開發在溫和條件下對CO2加氫具有更高活性、選擇性和穩定性的高效SAC。

該研究團隊合成了C3N4負載的Cu SAC，負載量為12%(質量分數)，可用于低溫CO2加氫；通過改變處理條件系統調整Cu單原子的配位結構，從而實現催化劑性能提升。

研究結果表明：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。在反應溫度為150 ℃時，Cu-N4單原子催化劑作用下的甲醇產率為4.2 mmol/(g·h)，甲醇選擇性為95.5%，甲醇產率比商用Cu/ZnO/Al2O3高3.2倍。