创新催化剂助力二氧化碳加氢制二甲醚：突破与展望

为解决二氧化碳（CO2）加氢制二甲醚（DME）催化剂存在的问题，研究人员制备金属氧化物嵌入非晶态硅铝的双功能催化剂。结果显示可有效调控催化剂结构和酸性，提升 DME 和甲醇选择性。该研究为相关催化剂设计提供新策略。

　　

研究背景

在全球对气候变化高度关注的当下，二氧化碳（CO₂）的减排与资源化利用成为科学界和工业界的焦点议题。CO₂作为主要的温室气体之一，其过量排放给地球生态环境带来了沉重压力。然而，换个角度看，CO₂又是一种储量丰富、价格低廉的碳资源。将 CO₂转化为有价值的化学品，不仅能缓解环境危机，还能开辟新的碳循环路径，可谓一举两得。

在众多 CO₂的转化产物中，甲醇（MeOH）和二甲醚（DME）脱颖而出。它们不仅是重要的化工原料，可用于合成多种高附加值产品，而且 DME 还能作为清洁燃料或燃料添加剂，应用前景广阔。但 CO₂分子十分稳定，将其加氢转化为含氧有机物并非易事。

目前，用于 CO₂加氢制 DME 的双功能催化剂存在诸多问题。传统的制备方法，如物理混合法、浸渍法、共沉淀法等，虽能将甲醇合成组分和甲醇脱水组分组合在一起，但二者的协同效果不佳。核心 - 壳结构催化剂虽有优势，但在制备过程中困难重重，比如在金属氧化物表面生长沸石壳时，容易出现缺陷，金属氧化物还可能在合成过程中溶解、分散，且沸石的强酸性会导致副产物生成和积碳，使催化剂失活。另外，非晶态硅铝虽能提供一定的酸强度用于脱水，但其酸性难以精准控制，影响了甲醇脱水效果。因此，开发一种性能优异、制备简单的 CO₂加氢制 DME 催化剂迫在眉睫。

为了解决这些问题，来自国内的研究人员开展了一项极具创新性的研究，相关成果发表在《Applied Catalysis A: General》上。

研究方法

研究人员采用共沉淀法合成用于甲醇合成的 CuO - ZnO - Al₂O₃催化剂（CZA），通过改进的 St?ber 法将 CZA 嵌入甲醇脱水组分非晶态硅铝（SA）中，并结合干凝胶结晶技术制备双功能催化剂。运用 XRD（X 射线衍射）、XPS（X 射线光电子能谱）、TEM（透射电子显微镜）、BET（比表面积分析）和 NMR（核磁共振）等多种表征技术，深入探究催化剂的形貌、结构特征、配位环境和酸性等性质。

研究结果

1. 催化剂结构与酸性调控：通过精确调整合成前驱体溶液中的 Si/Al 摩尔比和 CTAB/Si 摩尔比（CTAB 为十六烷基三甲基溴化铵），成功实现了对催化剂结构和酸性的有效调控。研究发现，随着 Si/Al 摩尔比降低，制备的催化剂总酸含量先增后减，当 Si/Al 摩尔比为 8 时，中强酸和强酸的占比达到最大值。
2. 催化性能提升：与传统的 Cu/ZnO/Al₂O₃催化剂相比，新制备的催化剂显著提高了 DME 和甲醇的选择性，同时降低了 CO 的选择性，且 CO₂转化率适中。在 Si/Al 摩尔比为 8 时，DME 的选择性最高可达 37.94%，甲醇和 DME 的总选择性达到 52.96%。
3. CTAB 的作用：添加 CTAB 增加了催化剂表面 Br?nsted 酸位点和中强酸位点的比例，这不仅促进了甲醇脱水反应，还抑制了逆水煤气变换反应（RWGS）。当 CTAB/Si 摩尔比为 0.1 时，DME 的选择性达到最佳，为 43%。

研究结论与讨论

该研究成功制备出 CuO - ZnO - Al₂O₃嵌入非晶态硅铝的双功能催化剂，为 CO₂加氢制 DME 催化剂的结构设计提供了全新策略。通过简单调整前驱体的 Si/Al 和 CTAB/Si 摩尔比，就能精准控制催化剂的结构和酸性，进而提升其催化性能。这一成果在 CO₂资源化利用领域具有重要意义，有望推动相关工业生产的发展，为实现人工碳循环和节能减排目标提供有力支持。同时，该研究也为其他类似的多相催化反应体系中催化剂的设计与制备提供了宝贵的借鉴经验，启发科研人员从新的角度探索高效催化剂的开发路径。