李兰冬团队nsr：分子筛限域单核cu离子高效催化co₂选择加氢制甲醇
通过可再生能源产生的氢气将co₂选择还原生成甲醇是实现co₂资源化利用与碳中和的可能途径，是当今的研究热点。产品甲醇即可作为液态有机氢载体，亦可作为平台化合物分子进一步转化为高值化学品。cu/zno/al₂o₃是以co-co₂为原料合成甲醇的经典工业催化剂，但其在纯co₂加氢反应中性能欠佳，同时关于cu活性位点认识存在极大争议，严重制约了此反应的进一步发展。
近日，《国家科学评论》（national science review）刊登了南开大学最新研究成果“zeolite-encaged mononuclear copper centers catalyze co₂ selective hydrogenation to methanol”。南开大学化学学院柴玉超博士与秦斌博士为共同第一作者，李兰冬研究员为通讯作者。该研究团队设计构筑分子筛限域单核cu离子（cu@fau；图1），利用cu离子与分子筛骨架o形成的限域{cu-o}lewis酸碱对异裂活化氢分子进而完成co₂加氢反应，在较低的温度条件下（~513 k）获得了优异的催化活性、甲醇选择性（89.5 %）以及催化稳定性，其综合性能在cu基催化剂中处于顶尖水平，具备良好的工业应用前景。
图1. cu@fau分子筛结构与孤立cu离子配位环境
结合原位谱学、动力学分析与计算模拟，该团队阐明了co₂逐步加氢制甲醇的微观反应路径，中间经历了-hcoo、-hcooh、-ch₂o以及-ch₃o中间物种（图2）。本研究首次揭示分子筛限域的单核cu离子即可催化复杂的co₂选择加氢制甲醇反应，整个反应过程涉及三分子氢活化，分别是co₂吸附辅助氢异裂活化、hcooh吸附辅助氢异裂活化与ch₂o吸附辅助氢异裂活化。此研究结果为cu基甲醇合成催化剂活性中心认识以及co₂选择加氢催化剂设计提供了新的思路。
图2. cu@fau催化co₂选择加氢路径
该研究工作得到了国家杰出青年科学基金、南开大学百名青年学科带头人培养计划等项目资助。