南开团队在高效催化二氧化碳制备甲醇研究方面取得新进展

　　（通讯员 柴玉超）通过可再生能源氢气将CO2选择性还原为甲醇，是实现碳中和与CO2高值化利用的重要策略。该过程生成的甲醇兼具液态有机氢载体与基础化工原料的双重价值。尽管Cu/ZnO/Al2O3等作为基准催化剂广泛应用，其极高金属负载量在反应过程中容易发生迁移团聚，另一方面其结构复杂性导致活性位点与反应机理存在极大争议。创制结构明确、性能优异的新型铜锌催化剂已成为该领域面临的核心挑战，亟需设计理念的创新。

　　近日，Chem刊登了南开大学最新研究成果“Zeolite-stabilized trinuclear Zn1Cu2 sites catalyze CO2 hydrogenation to methanol”。南开大学博士研究生赵嘉涵、秦斌与南京大学博士研究生章正汉为共同第一作者，南开大学教授李兰冬和研究员柴玉超为共同通讯作者。该团队在脱铝Beta分子筛中利用羟基窝锚定三核Zn1Cu2活性位点，揭示了此模型体系上CO2加氢制甲醇行为和机制，在优化反应条件下，CuZn/Si-beta分子筛上可获得12.3%的CO₂转化率与90.7%的甲醇选择性，其甲醇时空收率（14.3 mmol·gcat-1·h-1）高于大多数已报道的铜锌基催化剂。

　　研究人员通过原位谱学与密度泛函理论计算相结合，清晰地揭示了CuZn/Si-beta催化剂上二氧化碳加氢生成甲醇的反应机制：i）氢气活化后，初始Cu2+还原为Cuδ+；ii）Cuδ+有助于CO2分子的吸附与活化，随后吸附态的CO2与活性H物种反应，通过甲酸盐途径（CO2* → HCOO* → CH3O*）生成甲醇；iii）Cuδ+与CO2反应完成后，恢复为Cu2+。整个反应过程中锌物种价态一直维持在+2价，仅起到稳定铜离子的作用。密度泛函理论计算证实了CO2在CuZn/Si-beta催化剂Zn₁Cu₂位点上加氢制甲醇的热力学可行性，即从反应物到产物的完整路径（TS0至TS11）中，所有过渡态能垒在绝对零度（0 K）和实际反应温度（300 °C）下均未超过1.36 eV。本工作首次确立了Zn1Cu2作为CO2加氢制甲醇高效催化活性中心，这一独特活性中心结构为新一代催化剂的理性设计提供了全新的思路。

分子筛稳定三核Zn1Cu2位点结构（左图）与CO2加氢制甲醇的反应势能图

　　该研究工作得到了国家自然科学基金杰出青年科学基金、创新研究群体项目资助。

　　论文链接：https://www.cell.com/chem/abstract/S2451-9294(25)00334-1