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作為一種來源廣泛、價(jià)格低廉的“碳源”,，二氧化碳的化學(xué)轉(zhuǎn)化，不僅可以緩解溫室效應(yīng)等氣候問題,，還可以有效實(shí)現(xiàn)碳元素的循環(huán)利用,，對(duì)人類的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。在眾多的二氧化碳轉(zhuǎn)化路徑中,，催化加氫制甲醇反應(yīng)最具吸引力,。甲醇既是一種重要的燃料，同時(shí)也是一種基本的化工原料,，可進(jìn)一步合成多種高附加值化學(xué)品,。不過，二氧化碳加氫制甲醇過程尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化,，開發(fā)高活性,、高選擇性的催化體系仍然是該領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。

美國(guó)哥倫比亞大學(xué)（Columbia University）,、布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven National Laboratory）陳經(jīng)廣（Jingguang G. Chen）教授和Liu Ping博士一直致力于二氧化碳的催化轉(zhuǎn)化研究,。最近,，該團(tuán)隊(duì)在二氧化碳加氫制甲醇反應(yīng)的催化機(jī)理認(rèn)識(shí)和選擇性調(diào)控方面取得新進(jìn)展。他們采用密度泛函理論（Density functional theory,，DFT）計(jì)算與原位漫反射傅里葉紅外光譜（Diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy, DRIFTS）實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,，詳細(xì)考察了銅-氧化物界面上二氧化碳加氫制甲醇的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理，確定了該催化過程的關(guān)鍵中間產(chǎn)物,，并通過采用不同的氧化物載體（TiO₂和ZrO₂）的方式改變銅-氧化物界面性質(zhì)以調(diào)控關(guān)鍵中間產(chǎn)物的吸附能,，最終實(shí)現(xiàn)加氫活性的增強(qiáng)以及甲醇選擇性的提高。

原位DRIFTS實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，反應(yīng)過程中在Cu/TiO₂和Cu/ZrO₂催化劑表面上均可觀察到大量的吸附物種*HCOO,，然而該吸附物種的量與甲醇的產(chǎn)量沒有直接的關(guān)聯(lián)，表明甲醇并非通過甲酸鹽反應(yīng)路徑生成,。更為可能的反應(yīng)路徑為逆水汽變換結(jié)合一氧化碳加氫過程,，經(jīng)過關(guān)鍵中間產(chǎn)物甲氧基*CH₃O生成甲醇。DFT理論預(yù)測(cè)并經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí),，Cu/ZrO₂催化劑具有更優(yōu)的反應(yīng)活性以及更高的甲醇選擇性,。原因在于，甲醇合成路徑中的關(guān)鍵中間產(chǎn)物（*CO, *HCO, *H₂CO）在Cu-ZrO₂界面上的吸附能適中,，有利于促進(jìn)*CH₃O的形成,，從而提高甲醇的選擇性。盡管另一反應(yīng)路徑的中間產(chǎn)物*HCOO也在原位試驗(yàn)中被觀察到,，但由于其在Cu-TiO₂以及Cu-ZrO₂界面上的吸附太強(qiáng)導(dǎo)致相關(guān)活性位被毒化,，無法進(jìn)行下一步反應(yīng)。

上述研究再次論證了通過采用不同的氧化物-金屬界面改變關(guān)鍵中間產(chǎn)物吸附強(qiáng)度進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)控二氧化碳加氫產(chǎn)物選擇性這一策略的可行性（Angew Chem Int Ed, 2016, 55, 7968-7973,，點(diǎn)擊閱讀詳細(xì)）,，為該過程高選擇性催化劑的設(shè)計(jì)提供了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。

該研究成果發(fā)表在《Journal of the American Chemical Society》雜志上,，共同第一作者是布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Shyam Kattel博士和顏彬航博士,。

該研究工作得到了美國(guó)國(guó)家能源部的支持。

該論文作者為：Shyam Kattel, Binhang Yan, Yixiong Yang, Jingguang G. Chen*, and Ping Liu*