溫室氣體二氧化碳（CO2），是諸多化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物。其過量排放加劇了全球平均氣溫的上升，給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)巨大壓力。如何高效轉(zhuǎn)化利用CO2，將其變廢為寶，是能源化工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
近日，中科院大連化物所研究員鄧德會(huì)團(tuán)隊(duì)與廈門大學(xué)教授王野團(tuán)隊(duì)合作在CO2催化加氫制甲醇研究中取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)近6年，首次利用富含硫空位的少層二硫化鉬（MoS2）催化劑實(shí)現(xiàn)了低溫、高效、長(zhǎng)壽命催化CO2加氫制甲醇。MoS2催化劑的活性與選擇性均顯著優(yōu)于此前報(bào)道的金屬氧化物催化劑，并顯示了優(yōu)異的穩(wěn)定性，為實(shí)現(xiàn)低能耗、高效率的CO2轉(zhuǎn)化利用開辟了新途徑。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然—催化》上。
與基于可再生能源的綠氫（H2）反應(yīng)制備甲醇是CO2變廢為寶的重要途徑之一。通常，傳統(tǒng)的金屬氧化物催化劑需要300攝氏度以上的反應(yīng)溫度，同時(shí)常伴隨嚴(yán)重的逆水煤氣變換反應(yīng)，導(dǎo)致大量副產(chǎn)物一氧化碳產(chǎn)生。在金屬氧化物催化劑中引入過渡金屬組分可以促進(jìn)H2的活化從而降低反應(yīng)溫度，但容易導(dǎo)致CO2過度加氫產(chǎn)生甲烷，從而降低目標(biāo)產(chǎn)物甲醇的選擇性。CO2低溫高效加氫制甲醇亟需尋求新的催化劑體系。
此前的研究中，鄧德會(huì)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)MoS2基催化劑在催化電解水生產(chǎn)H2方面性能優(yōu)異。反過來(lái)，“MoS2能否在室溫下活化H2，并高效催化CO2加氫制甲醇呢”，帶著這一想法，鄧德會(huì)與王野團(tuán)隊(duì)展開聯(lián)合攻關(guān)。然而，一開始的研究進(jìn)展并不順利，MoS2的催化性能并沒有達(dá)到預(yù)期的效果，向MoS2中引入其他元素等傳統(tǒng)的調(diào)變催化劑性能的方式也未能使催化劑性能顯著提高。
陷入僵局后，團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)換思路，先讓MoS2與H2反應(yīng)，令其表層出現(xiàn)了大量硫原子空位，進(jìn)而讓穩(wěn)定的MoS2表面結(jié)構(gòu)活潑起來(lái)。通過調(diào)變MoS2自身結(jié)構(gòu)，研究人員開發(fā)出具有豐富硫空位的少層MoS2。經(jīng)評(píng)價(jià)，該MoS2催化劑能夠?qū)崿F(xiàn)低溫甚至室溫下CO2和H2直接活化并解離，并有效抑制甲醇的過度加氫。原位表征與理論計(jì)算研究結(jié)果顯示，MoS2面內(nèi)硫原子空位是催化CO2高選擇性加氫到甲醇的活性中心。
值得一提的是，在實(shí)驗(yàn)室小試中，CO2在180攝氏度下的單程轉(zhuǎn)化率可達(dá)12.5%，甲醇選擇性高達(dá)94.3%，顯著優(yōu)于此前報(bào)道的金屬和金屬氧化物等傳統(tǒng)催化劑，并且性能能夠穩(wěn)定維持3000小時(shí)而未見衰減，表現(xiàn)出優(yōu)異的工業(yè)應(yīng)用潛力。
據(jù)悉，《自然—催化》雜志同期以“不同尋常的空位催化”為題刊發(fā)了專家評(píng)述文章，對(duì)該研究進(jìn)行了高度評(píng)價(jià)。德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)教授Felix Studt表示，這是一個(gè)令人驚奇的、有意義的研究工作，該工作有望為二氧化碳加氫制甲醇的工業(yè)應(yīng)用帶來(lái)巨大的效率提升。
鄧德會(huì)表示，CO2高效轉(zhuǎn)化利用是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”的重要一環(huán)。該研究揭示了二維MoS2的硫空位在催化反應(yīng)中的應(yīng)用潛力，為開發(fā)CO2加氫新型催化劑提供了新思路，希望更多企業(yè)能夠參與，共同推進(jìn)MoS2催化CO2加氫制甲醇的工業(yè)化應(yīng)用。
來(lái)源：中科院大連化物所
微信公眾號(hào)
陜公安備61080202000314號(hào)