图 单原子铜基催化剂的Cu₁-O₃准平面局部结构及其低温合成甲醇催化性能

  在国家自然科学基金项目（批准号：22172032、21902027、51701201、U19B2003）等资助下，福州大学谭理课题组与复旦大学刘智攀课题组等合作，在单原子催化CO₂加氢制甲醇方面取得进展。研究成果以“Cu₁-O₃物种在单原子Cu/ZrO₂催化剂中对CO₂加氢的作用（The role of Cu₁-O₃ species in single-atom Cu/ZrO₂catalyst for CO₂ hydrogenation）”为题，于2022年9月15日发表在《自然·催化》（Nature Catalysis）杂志上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-022-00840-0。

  将温室气体通过催化反应转化为高附加值化学品是实现节能减排、资源循环利用的重要途径之一。CO₂温室气体能否实现高效转化关键在于高性能催化剂的设计研发。目前面临最核心问题主要有两个，一是大家对催化反应活性位点、反应机理的认识存在较大争议，无法为合成高效催化剂提供有力指导；二是常规铜基催化剂反应温度高，甲醇产物选择性差且容易失活。

  针对以上问题，该团队设计了一种具有明确Cu₁-O₃准平面局部结构的单原子铜基催化剂，表现出优异的低温合成甲醇催化性能（甲醇选择性100%，TOF达1.37h^-1）和反应稳定性（图）。原位高压红外光谱实验以及理论计算结果表明，该反应遵循甲酸盐加氢路径，其中甲酸盐氢化到甲氧基为反应的决速步骤；孤立铜位点为甲醇合成的有效活性中心，铜纳米团簇或纳米颗粒为逆水煤气变换（RWGS）反应产生CO的活性中心，而较大尺寸的铜颗粒则不具有低温活化CO₂的能力。

  该研究进一步拓展了铜基单原子催化剂的应用范围，为今后设计高效甲醇合成催化剂提供了有力的理论指导与支持。