CO2的高效转化利用对缓解能源危机以及实现“碳中和”目标具有重要的战略意义。利用基于可再生能源的绿色氢气(H2)与CO2反应制备甲醇是一条重要的途径。传统的金属氧化物催化剂通常需要较高的反应温度(>300oC)来催化CO2加氢制甲醇,往往伴随着严重的逆水煤气变换(RWGS)反应,导致产生大量副产物一氧化碳(CO)。在金属氧化物催化剂中引入过渡金属组分可以促进H2的活化从而降低反应温度,但同时又容易导致CO2过度加氢到甲烷(CH4),从而降低甲醇的选择性。金属/金属氧化物催化CO2加氢制甲醇体系中活性与选择性的相互制约,严重限制了其低温催化性能的提升。因此,为实现CO2低温高效加氢制甲醇,亟需寻求新的催化剂体系。
邓德会团队长期致力于二维催化材料与能源小分子转化研究,前期在调控二维MoS2的催化活性上取得系列进展(Nat. Commun.,2020;Angew. Chem. Int. Ed.,2020;Nano Energy,2020;Nano Energy,2019;Chem. Rev.,2019;Nat. Commun.,2017;Energy Environ. Sci.,2015)。在此基础上,该团队与王野团队合作研究发现,富含硫空位的少层MoS2可在低温甚至室温下将CO2和H2同时直接活化并解离,从而能够高活性、高选择性地催化CO2低温加氢到甲醇,并有效抑制了甲醇的过度加氢。该催化剂在180oC下,CO2单程转化率可达12.5%,同时甲醇选择性可达94.3%,显著优于商品Cu/ZnO/Al2O3催化剂以及此前报道的催化剂。此外,该催化剂的活性和选择性在180oC下能够稳定地维持3000小时而未见衰减,表现出了优异的工业应用潜力。原位表征与理论计算研究结果显示,MoS2面内硫空位是催化CO2高选择性加氢到甲醇的活性中心。该工作揭示了二维MoS2的硫空位在催化反应中的应用潜力,为开发CO2加氢新型催化剂提供了新思路。
相关研究成果于3月22日发表在《自然-催化》(Nature Catalysis)上。此外,《自然-催化》同期还以“不同寻常的空位催化(Catalysis by Unusual Vacancies)”为题,刊发了专家的评述文章,对该工作进行了高度评价。上述工作得到了国家科技部重点研发计划项目,国家自然科学基金基础科学中心、重大项目,中科院B类先导专项“功能纳米系统的精准构筑原理与测量”,教育部能源材料化学协同创新中心(2011·iChEM)等项目的资助。(文/图 胡景庭、于良)