二氧化碳加氫雙功能催化材料調控研究獲進展

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近日，中國科學院廣州能源研究所（以下簡稱廣州能源所）生物質能生化轉化研究室特別研究助理邢世友聯合荷蘭烏特勒支大學教授Bert Weckhuysen團隊合作，在二氧化碳加氫雙功能催化材料調控研究方在取得重要進展。相關研究發表于美國化學會旗艦期刊JACS Au，并被選為封面文章。

當期期刊封面。研究團隊 供圖

據悉，通過非均相熱催化，利用可再生綠氫對CO2進行轉化，有望為溫室氣體去路提供新路徑，同時可以為非化石來源的化學品和燃料合成提供全新方案。鑒于各行各業，特別是航空業，對碳氫燃料的需求與日俱增，通過CO2加氫直接實現碳碳偶聯具有重大意義。

已有的研究提出，利用雙功能催化材料如In2O3/H-ZSM-5可實現高效碳碳偶聯，即先在金屬氧化物In2O3上將CO2轉化為甲醇，所得的甲醇再轉移至酸性分子篩上進行偶聯轉化為烴。該過程打破了費托合成過程中的Anderson–Schulz–Flory（ASF）限制，在調控烴類產物選擇性方面展現出較大潛力。

在該雙功能催化過程中，縮短雙功能組分距離可促進反應中間體轉移，從而顯著提高碳碳偶聯性能。然而，粉末混合的銦基材料容易喪失碳碳偶聯活性，這可能是由于在反應過程銦物種遷移至沸石分子篩內，中和毒化了沸石B酸位點；同時銦物種的遷移導致氧化銦表面氧空位活性位點發生重構，導致失活；此外，長時間甲醇轉化形成的沸石積碳是該雙功能催化體系的另一個潛在失活因素。

該研究報道了一種簡單的方法來克服上述3個難題：一是在H-ZSM-5沸石晶體外原位生長一層硅沸石Silicalite-1（S-1）殼層，從而抑制了銦的遷移，保持了H-ZSM-5的酸性；二是阻止In2O3表面過度還原；三是通過抑制甲醇-烴轉化中的芳烴循環來提高催化劑壽命。因此，本方法可以恢復在納米尺度（粉末混合）下C2+烴的合成活性。此外，在微米尺度（顆粒混合）下，與無S-1殼層的催化劑相比，含有S-1殼層催化劑的性能更高。

該研究發展了一種有效的屏蔽策略，為提升CO2加氫雙功能材料的催化性能及穩定性提供了創新方案。