ZnZrOx纳米纤维催化剂的设计及其在高效CO2加氢制甲醇中的应用研究

针对传统ZnZrOx催化剂比表面积低（<10 m2 g-1）和活性不足的问题，研究人员通过静电纺丝法（electrospinning）制备了30ZnZrOx-ES纳米纤维催化剂，其比表面积达113.5 m2 g-1，甲醇时空产率（STYMeOH）提升1.6倍，并在600小时（300°C, 5 MPa）内保持稳定。结合原位红外光谱和DFT计算，揭示了氧空位对H2活化的促进作用，为CO2资源化提供了新策略。

　　

随着全球能源需求增长和气候变化加剧，CO₂加氢制甲醇成为缓解温室效应和实现碳循环的关键技术。然而，传统Cu基催化剂易因水分子诱导的烧结和氧化态变化失活，而In₂O₃基催化剂则面临过度还原问题。ZnZrO_x虽具备酸碱位点可调和氧空位优势，但传统方法（如共沉淀法）制备的催化剂比表面积不足（<10 m² g^-1），严重限制其性能。

为解决这一难题，中国国家自然科学基金等项目支持的研究团队通过静电纺丝技术（electrospinning）设计出30ZnZrO_x-ES纳米纤维催化剂。该催化剂比表面积高达113.5 m² g^-1（传统方法仅3.1 m² g^-1），在300°C、5 MPa和24000 mL g^-1 h^-1的空速下，甲醇时空产率（STY_MeOH）达0.61 g_MeOH h^-1 g_cat^-1，且稳定运行600小时。研究结合原位红外光谱、电子顺磁共振（EPR）、拉曼光谱（Raman）和密度泛函理论（DFT）计算，证实纳米纤维结构促进氧空位形成，从而增强H₂活化能力。

DFT计算
采用VASP软件和PBE泛函计算表明，氧空位富集的表面显著降低H₂解离能垒，与EPR检测到的氧空位信号（g=2.003）相互印证。

结构表征
XRD显示30ZnZrO_x-ES为立方相ZrO₂（PDF #49-1642），纤维直径约100 nm，孔隙分布均匀。

结论与意义
该研究不仅提供了一种高效制备ZnZrO_x纳米纤维催化剂的方法，还通过多尺度表征阐明了氧空位与催化活性的构效关系。其成果发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》，为工业级CO₂转化催化剂设计提供了新范式，推动“双碳”目标下绿色能源技术的发展。