中科院化學所韓布興院士團隊用熒颯原位紅外光譜解析LOC／Cu催化CO?加氫制甲醇全過程

中國科學院化學研究所韓布興院士團隊以La₂O₂CO₃（簡寫LOC）作為載體，通過兩步沉淀法制備了一系列不同La/Cu質量比的LOC/Cu-x催化劑，通過評價催化劑的催化性能確定了最佳的Cu含量，本研究對Cu基催化劑高效合成甲醇的設計和優化提供了新的思路。研究成果以“Synthesis of methanol via CO₂ hydrogenation catalyzed by La₂O₂CO₃/Cu catalysts”為題發表在國際著名期刊Nano Research上。中國科學院化學研究所為該論文第一單位，何君為第一作者。我們為大家分享該研究成果，希望對您的科學研究帶來一些啟發。

應用方向：CO₂加氫、甲醇、非均相催化劑、Cu-LOC 相互作用

近年來，碳排放導致大氣中CO₂濃度不斷升高，全球變暖、海平面上升等一系列生態環境問題對人類社會構成了嚴重的威脅。通過CO₂加氫促進碳的循環利用，不僅解決了碳排放過剩的問題，還能將可再生的氫能轉化為有價值的化學品。甲醇是人類生產和日常生活中必不可少的基礎化學品和燃料，具有較高的經濟和社會價值。因此，CO₂加氫制備甲醇反應的研究具有重要的意義。Cu基催化劑是公認的經濟高效的甲醇合成催化劑，但是金屬Cu本身反應活性較低，其反應性能會強烈受到載體的影響，這種特性使得對Cu與載體之間的界面結構、電子轉移等的調控變得十分重要。

 針對這些難題和挑戰，該研究團隊以La₂O₂CO₃（簡寫LOC）作為載體，通過兩步沉淀法制備了一系列不同La/Cu質量比的LOC/Cu-x催化劑（其中x代表催化劑中La和Cu的質量比值），如圖1，通過評價催化劑的催化性能確定了最佳的Cu含量。LOC/Cu-x催化劑中不同的Cu負載量可導致Cu表面缺失電子或者富集電子，從而顯著影響CO₂加氫反應產物中CH₄和CH₃OH的選擇性。本研究對Cu基催化劑的設計和優化提供了新的思路。

圖1

研究團隊基于兩步沉淀法來合成了系列LOC/Cu-x催化劑（x = 0.1、0.2、0.5、1、3和5），CO(NH₂)₂和NaOH分別作為相應金屬前驅體的沉淀劑，在500°C的溫度下煅燒4h后以獲得催化劑前驅體。催化劑前驅體在300°C、10%H₂/Ar氣氛中還原后得到LOC/Cu-x催化劑。LOC/Cu-x催化劑的高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像如圖2所示，LOC呈現出棒狀形貌，Cu顆粒均勻分散在LOC表面。LOC/Cu-1由Cu（100）晶面和LOC（130）晶面組成，其晶格間距分別為0.35nm和0.31nm，顯示出較長的LOC-Cu界面。能量色散X光譜（EDS）圖像表明，這些催化劑中均含有La、Cu、C和O元素，并且在催化劑表面有均勻的分布。

圖2

目前已有的文獻表明，CO₂加氫制備甲醇主要通過兩種可能的反應途徑：甲酸鹽途徑（HCOO*）和CO*途徑。文中采用原位紅外（FOLI10-R-T）對反應中間體進行了探究，如圖3所示結果，為氫氣活化后的LOC/Cu-1催化劑在150℃的溫度下暴露于流動CO₂中的原位紅外光譜。位于2075 cm^-1處的峰歸屬于與金屬Cu表面相結合的羰基伸縮振動（Cu-C=O），位于1677 cm^-1處的峰對應于Cu（100）晶面位點上的羰基伸縮振動（C=O），在1580 cm^-1位置處觀察到的特征峰與O-C=O不對稱伸縮振動有關，O-C=O可以進一步氫化生成C=O。基于原位紅外和系列控制實驗的結果，我們推斷LOC/Cu-1催化CO₂加氫生成甲醇是通過CO*途徑進行的。

圖3

關于此文章的更多細節請查看原文鏈接：https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907130

配置推薦：

該研究提及的原位紅外光譜儀（in situ FTIR）是采用熒颯光學儀器公司生產的FOLI10-R-T雙通道、雙樣品腔配合原位透射池/原位漫反射池測試得到的。FOLI10-R-T創新性地為用戶提供雙腔雙檢測器配置，無需用戶更換附件（如圖4），該原位紅外光譜儀可以為催化用戶提供豐富的光譜信息：

• 研究催化劑的化學反應動力學

• 用于在線研究催化劑在高溫或高壓或高真空環境下的催化性能

• 獲得催化反應的反應機理和反應過程

• 通過對探針氣體分子與催化劑在不同溫度下的吸附和脫附實驗，可以了解催化劑表面的吸附活性位和吸附性能

• 對催化劑的酸堿性能進行有效表征

• 為制備新型的催化劑提供實驗數據

• 實現對催化劑樣品的成分鑒定和結構分析

圖4

關于熒颯：

熒颯光學是一家專注于傅里葉變換紅外光譜儀的自主研發和生產的高新技術公司。公司匯集了來自于眾多一流高校及研究所的碩士、博士研究生人才，研發團隊涉及光學、電路控制、軟件開發、化學計量學以及自動化系統集成等多個方向，是國產高端傅里葉變換紅外光譜儀的引領者。