中國金宝搏入口188發展工作催化劑表面基元反應動力學策略揭示了ZnO-ZrO2催化劑在催化CO2和CO加氫制甲醇反應中截然(ran)不同的催(cui)化活性(xing)位
188bet足球精準智能化學全國重點實驗室、化學與材料科學學院黃偉新教授課題組和復旦大學化學系商城教授課題組合作研究了ZnO-ZrO2催化劑催化CO2加氫制甲醇反應和CO加氫制甲醇反應的催化表界面化學，以實驗測定的工作催化劑表面基元反應動力學來可靠橋連催化劑結構表征和計算模擬結果，揭示了截然不同的催化活性位和活性甲酸鹽中間體（圖1）。研究成果于5月18日以“Distinctly different active sites of ZnO-ZrO2 catalysts in CO2 and CO hydrogenation to methanol reactions”為題發表在Nature Communications 16 (2025) 4622。
圖1.ZnO-ZrO2催化劑催化CO2加氫(qing)制甲(jia)醇(chun)反應和(he)CO加氫(qing)制甲(jia)醇(chun)反應“活(huo)性(xing)位-活(huo)性(xing)甲(jia)酸鹽對”示意圖
明確催化劑活性位一直是多相催化基礎研究的核心目標之一，但由于工作催化劑復雜性，這始終是一項長期的挑戰。催化劑的活性位點會隨著所催化的反應不同而發生變化。ZnO-ZrO2復合氧化物是新型的高效催化CO2和CO加氫制甲醇的催化劑，但其活性位和反應機理存在爭議。黃偉新教授課題組之前發展了利用快掃原位漫反射紅外光譜表征工作催化劑表面基元反應動力學來可靠研究工作催化劑表界面化學的研究策略（Angew. Chem. Int. Ed. 60 (2021) 6160; ACS Catal. 11 (2021) 10014; J. Phys. Chem. Lett. 14 (2023) 7229; ACS Catal. 14 (2024) 1922）。在該研究中，我們利用該策略，研究了工作條件下Zn20Zr80催化COx加氫反應的表面基元反應動力學，獲得不同表面甲酸鹽關鍵中間體加氫反應活化能（圖2和3），以此作為實驗證據可靠關聯催化劑結構表征、宏觀反應動力學和理論模擬結果，明確識別出Zn20Zr80催化劑催化CO2加氫制甲醇反應活性位和活性甲酸鹽物種分別為表面僅具有Zn-O-Zr配位結構的Zn1單原子（-Zr-O-Zn-O-Zr-O-Zr-）和在鄰近Zr位點吸附的橋式甲酸鹽物種，而催化CO加氫制甲醇反應活性位和活性甲酸鹽物種分別為表面同時具有Zn-O-Zr和Zn-O-Zn配位結構的部分還原Znn團簇（-Zn-O-Zn（-O-Zr-V?-Zr-）-O-Zr-O-Zr-）和在鄰近Zr位點吸附的橋式甲酸鹽物種。
圖2.Zn20Zr80催化CO2加(jia)氫(qing)反(fan)應(ying)表面基元反(fan)應(ying)動力學
圖3.Zn20Zr80催(cui)化CO加(jia)氫反應表(biao)面基元反應動力學
ZnO-ZrO2催化劑在CO2和CO加(jia)氫(qing)制(zhi)甲醇反(fan)(fan)應中截然(ran)不同活(huo)(huo)性(xing)位的(de)研究(jiu)結(jie)果不僅揭示了(le)催(cui)化劑活(huo)(huo)性(xing)位結(jie)構敏感依賴于所催(cui)化的(de)化學反(fan)(fan)應，并且例證了(le)工作催(cui)化劑“表面位-表面物種對(dui)”及其(qi)基元(yuan)反(fan)(fan)應動力學是研究(jiu)復雜催(cui)化反(fan)(fan)應催(cui)化劑活(huo)(huo)性(xing)位和反(fan)(fan)應機理的(de)可靠策略。
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論文鏈接：//doi.org/10.1038/s41467-025-59996-5
（精準智(zhi)能化學全國重點實驗室、化學與材料科學學院、科研部(bu)）
