中科大黄伟新&张文华&邬宗芳团队：CO2加氢到甲醇和逆水气变换中ZnO-Cu界面催化剂的活性Cu结构

中国科学技术大学黄伟新教授、张文华副教授和邬宗芳特任副研究员基于不同形貌的ZnO/Cu纳米晶模型催化剂，研究了ZnO-Cu界面催化CO₂加氢到甲醇和逆水气变换（RWGS）反应中的活性Cu结构。实验和DFT计算结果表明，Cu{110}和Cu{100}面分别是ZnO-Cu界面催化CO₂加氢到甲醇和RWGS的活性Cu晶面，同时发现在甲醇合成条件下，RWGS主要发生在ZnO/Cu催化剂的Cu表面。这些基本认识将极大地帮助设计CO₂加氢制甲醇的高效Cu-ZnO基催化剂。

CO₂加氢制甲醇是一种有效减少CO₂排放的方式，Cu-ZnO基催化剂广泛用于催化CO₂加氢制甲醇，同时伴随副反应逆水煤气变换（RWGS）的发生。理解Cu-ZnO催化剂的活性结构对于设计高效催化剂尤为重要，在基于超高真空单晶模型催化体系中，Cu和ZnO/Cu催化剂在CO₂加氢制甲醇和RWGS反应中的催化性能敏感地依赖于Cu晶面。然而，在基于Cu单晶模型催化剂的反应条件下，测得的RWGS速率比相应的CH₃OH合成速率高2到3个数量级，这与Cu-ZnO基粉末催化剂的催化性能并不一致，存在明显的“压力鸿沟”。

基于此，中国科学技术大学黄伟新、邬宗芳和张文华团队开展了具有不同Cu晶面的Cu纳米晶（NCs）和相应ZnO/Cu NCs反相催化剂的实验和理论计算研究，证明了Cu{110}晶面是ZnO-Cu界面催化CO₂加氢制甲醇活性Cu晶面，表观活化能低至25.3±2.6 kJ/mol，而Cu{100}晶面是ZnO-Cu界面和Cu催化RWGS反应中活性Cu晶面。虽然ZnO-Cu界面在催化RWGS反应中比Cu表面更活跃，但在CO₂加氢制甲醇反应条件下，RWGS反应主要发生在ZnO/Cu反相催化剂的铜表面，而不是在ZnO-Cu界面，见下图。这些基本认识将极大地帮助设计CO₂加氢制甲醇的高效Cu-ZnO基催化剂。

论文第一作者为中国科学技术大学熊伟、邬宗芳和陈玄烨，通讯作者邬宗芳特任副研究员、张文华副教授和黄伟新教授。详见：Wei Xiong, Zongfang Wu, Xuanye Chen, Jieqiong Ding, Aiai Ye, Wenhua Zhang, Weixin Huang. Active copper structures in ZnO–Cu interfacial catalysis: CO₂ hydrogenation to methanol and reverse water-gas shift reactions. Sci. China Chem., 2023, DOI: 10.1007/s11426-023-1802-7.

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【通讯作者简介】

黄伟新 中国科学技术大学化学物理系长江特聘教授。2001年在中国科学院大连化学物理研究所取得博士学位后在University of Texas at Austin和德国马普学会Fritz-Haber研究所分别从事博士后和洪堡学者研究。2004年12月任中国科学技术大学教授。曾获得中国化学会催化委员会“催化青年奖”和德国亚历山大•洪堡基金会“Humboldt Research Award”.主要研究方向为固体表界面化学、多相催化作用机制、低碳烃催化反应等。

张文华 中国科学技术大学材料科学与工程系副教授。2008年在中国科学技术大学取得博士学位。随后在瑞典皇家工学院进行博士后研究。2009入职中国科学技术大学材料科学与工程系。主要研究方向是高效催化剂体系的理性设计和理论模拟。目前，已在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊上发表论文100余篇。

邬宗芳 中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心特任副研究员。2014年在中国科学技术大学取得博士学位。2015到2021年依次在德国弗利茨-哈伯研究所和瑞典皇家工学院进行博士后研究。2021年入职中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心。研究方向集中在模型催化体系的表面科学实验研究和理论模拟。

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