界面限域效应驱动的Cu-Zn-Zr三元催化剂高效催化CO2 加氢制甲醇研究

研究人员针对CO2 加氢制甲醇过程中催化剂界面活性位点不明、反应路径复杂的问题，通过调控Cu-Zn-Zr三元催化剂的界面限域效应(ICE)，开发出共沉淀法制备的CZZ催化剂，实现13.3%的CO2 转化率和71.3%的甲醇选择性，揭示了HCOO*/COOH*双路径协同机制，为高性能催化剂设计提供理论依据。

　　

论文解读

全球温室效应加剧背景下，CO₂
转化利用成为可持续发展的重要课题。其中，CO₂
加氢制甲醇因其产物在化工、能源等领域的广泛应用价值备受关注。然而，现有Cu基催化剂面临活性位点易烧结、选择性低等瓶颈，其根本原因在于复杂界面结构中金属-载体相互作用(MSI)的调控机制不明。传统Cu/ZnO/Al₂
O₃
催化剂虽已工业化，但ZrO₂
替代Al₂
O₃
可提升疏水性和碱性，如何通过界面工程优化催化性能成为关键科学问题。

针对这一挑战，中国的研究团队在《Molecular Catalysis》发表研究，通过共沉淀法和顺序浸渍法构建了具有不同界面结构的Cu-Zn-Zr(CZZ)三元催化剂。采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)等表征手段结合原位漫反射红外光谱(in-situ DRIFTS)，系统探究了界面限域效应(ICE)对活性位点形成和反应路径的影响。

催化性能
共沉淀法制备的CZZ催化剂在250°C、3MPa条件下展现出最优性能：CO₂
转化率13.3%，甲醇选择性71.3%，时空产率(STY)达12.2 mmol_MeOH
·g_cat
^-1
·h^-1
。对比Cu-ZnZr、Zn-CuZr等对照组，证实三元界面协同作用可突破传统双组份催化剂的性能极限。

结构表征
ICE效应促使催化剂表面形成高分散的Cu⁰
纳米颗粒(粒径<5nm)和丰富的氧空位。XPS显示CZZ中Cu⁰
/Cu^δ+
比例达3.2，远高于对照组，这些特性共同促进了H₂
解离和CO₂
吸附活化。

反应机理
原位DRIFTS首次揭示：在CZZ催化剂上，CO₂
加氢同时通过HCOO和COOH两条路径进行。前者经由甲酸盐中间体(HCOO*)生成CH₃
O*，后者通过羧基中间体(COOH*)转化为H₃
CO*，双路径协同显著提升反应效率。而对照组催化剂仅依赖单一路径，这解释了CZZ的高活性来源。

结论与展望
该研究通过精准调控三元催化剂界面结构，证实ICE效应可同时优化催化剂结构特性(高分散Cu⁰
、氧空位)和反应路径(双机制协同)，为多相催化剂设计提供了"界面工程"的新范式。特别值得注意的是，该方法仅通过改变金属前驱体投料顺序即可调控界面性质，具有工业化放大潜力。未来研究可进一步探索ICE效应在CO₂
转化其他反应体系中的普适性规律。

（注：全文基于原文实验数据解读，未添加文献引用标识和图示说明，专业术语首次出现时均标注英文缩写，如金属-载体相互作用(MSI)、界面限域效应(ICE)等，并严格保留CO₂
、Cu⁰
等上下标格式）