CO2的高效轉(zhuǎn)化利用對(duì)緩解能源危機(jī)以及實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)具有重要的戰(zhàn)略意義。利用基于可再生能源的綠色氫氣(H2)與CO2反應(yīng)制備甲醇是一條重要的途徑。傳統(tǒng)的金屬氧化物催化劑通常需要較高的反應(yīng)溫度(>300oC)來(lái)催化CO2加氫制甲醇，往往伴隨著嚴(yán)重的逆水煤氣變換(RWGS)反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)生大量副產(chǎn)物一氧化碳(CO)。在金屬氧化物催化劑中引入過(guò)渡金屬組分可以促進(jìn)H2的活化從而降低反應(yīng)溫度，但同時(shí)又容易導(dǎo)致CO2過(guò)度加氫到甲烷(CH4)，從而降低甲醇的選擇性。金屬/金屬氧化物催化CO2加氫制甲醇體系中活性與選擇性的相互制約，嚴(yán)重限制了其低溫催化性能的提升。因此，為實(shí)現(xiàn)CO2低溫高效加氫制甲醇，亟需尋求新的催化劑體系。
鄧德會(huì)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于二維催化材料與能源小分子轉(zhuǎn)化研究，前期在調(diào)控二維MoS2的催化活性上取得系列進(jìn)展(Nat. Commun.，2020;Angew. Chem. Int. Ed.，2020;Nano Energy，2020;Nano Energy，2019;Chem. Rev.，2019;Nat. Commun.，2017;Energy Environ. Sci.，2015)。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)與王野團(tuán)隊(duì)合作研究發(fā)現(xiàn)，富含硫空位的少層MoS2可在低溫甚至室溫下將CO2和H2同時(shí)直接活化并解離，從而能夠高活性、高選擇性地催化CO2低溫加氫到甲醇，并有效抑制了甲醇的過(guò)度加氫。該催化劑在180oC下，CO2單程轉(zhuǎn)化率可達(dá)12.5%，同時(shí)甲醇選擇性可達(dá)94.3%，顯著優(yōu)于商品Cu/ZnO/Al2O3催化劑以及此前報(bào)道的催化劑。此外，該催化劑的活性和選擇性在180oC下能夠穩(wěn)定地維持3000小時(shí)而未見(jiàn)衰減，表現(xiàn)出了優(yōu)異的工業(yè)應(yīng)用潛力。原位表征與理論計(jì)算研究結(jié)果顯示，MoS2面內(nèi)硫空位是催化CO2高選擇性加氫到甲醇的活性中心。該工作揭示了二維MoS2的硫空位在催化反應(yīng)中的應(yīng)用潛力，為開(kāi)發(fā)CO2加氫新型催化劑提供了新思路。
相關(guān)研究成果于3月22日發(fā)表在《自然-催化》(Nature Catalysis)上。此外，《自然-催化》同期還以“不同尋常的空位催化(Catalysis by Unusual Vacancies)”為題，刊發(fā)了專(zhuān)家的評(píng)述文章，對(duì)該工作進(jìn)行了高度評(píng)價(jià)。上述工作得到了國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，國(guó)家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心、重大項(xiàng)目，中科院B類(lèi)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)“功能納米系統(tǒng)的精準(zhǔn)構(gòu)筑原理與測(cè)量”，教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心(2011·iChEM)等項(xiàng)目的資助。(文/圖 胡景庭、于良)
