近日, 中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室研究員, 中科院院士李燦團隊發展了一種雙金屬固溶體氧化物催化劑, 實現了CO 2高選擇性高穩定性加氫合成甲醇, 相關研究成果發表在Science Advances上.
CO 2的減排已引起國際社會的廣泛關注, 利用太陽能等可再生能源, 通過光催化, 光電催化或電解水制氫, 進行CO 2加氫制甲醇等燃料及化學品, 是實現CO 2減排和碳資源可持續利用最為可行的策略. 從科學認識自然光合作用的角度看, CO2加氫制甲醇暗合了光合作用中暗反應的功效, 是太陽能制液體燃料的重要途徑. 美國南加州大學教授Olah團隊曾前瞻性地提出轉化CO 2的 '甲醇經濟' 理念, 李燦團隊強調基於可再生能源實現CO 2的碳資源化利用. 甲醇是重要的平台化學分子, 由甲醇可製取烯烴, 芳烴等大宗化學品以及汽油, 柴油, 也可直接用作燃料或燃料添加劑. 目前, 實現CO 2加氫制甲醇產業化的瓶頸在於, 高效太陽能及可再生能源制氫技術和高選擇性, 高活性CO 2加氫制甲醇催化技術的發展.
李燦團隊致力於太陽能光催化, 光電催化以及電解水制氫的研究, 同時開展了CO 2+H2的研究, 以實現人工光合成太陽燃料戰略. CO 2+H2過程中, 提高甲醇的選擇性是CO 2加氫轉化最大的挑戰, 例如傳統用於合成氣制甲醇的Cu基催化劑應用於CO 2加氫制甲醇時, 突出問題是甲醇選擇性低 (50~ 60%) . 另外, 反應生成的水會加速Cu基催化劑的失活. 該工作開發了一種不同於傳統金屬催化劑的雙金屬固溶體氧化物催化劑ZnO-ZrO 2, 在CO 2單程轉化率超過10%時, 甲醇選擇性仍保持在90%左右, 是目前同類研究中綜合水平最好的結果. 研究表明, 該催化劑的固溶體結構特徵提供了雙活性中心反應位點——Zn和Zr, 其中H 2和CO 2分別在Zn位和原子相鄰的Zr位上活化, 在CO 2加氫過程中表現出了協同作用, 從而可高選擇性地生成甲醇. 原位紅外—質譜同位素實驗及DFT理論計算結果表明, 表面HCOO*和H 3CO*是反應主要的活性中間物種. 該工作為CO 2加氫制甲醇開闢了新途徑.
此外, 該催化劑反應連續運行500小時無失活現象, 具有極好的耐燒結穩定性和一定的抗硫能力, 表現出了良好的工業應用前景. 傳統甲醇合成Cu基催化劑要求原料氣含硫低於0.5ppm, 而該催化劑的抗硫能力使原料氣淨化成本降低, 在工業應用方面表現出潛在的優勢. 以上相關成果已申報中國發明專利4項和國際PCT專利1項.
研究工作得到了中科院戰略性先導科技專項, 國家自然科學基金, 大連化物所甲醇轉化與煤代油新技術基礎研究專項以及博士後基金的資助.
