二氧化碳辅助的合成甲醇长期受工业界关注，每年约转化200万吨二氧化碳，对我国“双碳”战略目标具有重要的贡献。该领域已经被业界持续研究几十年，近日郑州大学化工学院韩一帆、涂维峰教授团队在揭示合成甲醇反应条件下工业Cu/ZnO/Al₂O₃催化剂活性中心结构及催化反应机理方面取得新进展。相关工作以“Gas-Dependent Active Sites on Cu/ZnO Clusters for CH₃OH Synthesis”为题，在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）在线发表。论文第一作者为郑州大学化工学院涂维峰教授，通讯作者为郑州大学化工学院韩一帆教授和天津大学化工学院巩金龙教授。全文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.2c13784

甲醇是化学工业的重要原料，主要通过合成气（主要成分是CO和H₂）在三元Cu/ZnO/Al₂O₃催化剂的作用下合成。揭示Cu/ZnO/Al₂O₃催化剂活性中心结构及催化反应机理是高性能工业合成甲醇催化剂开发的主要挑战。韩一帆教授团队基于自主创建的适用于工业苛刻反应条件下的Operando谱学仪器系统，在合成甲醇反应过程中发现Cu-ZnO双金属结构发生元素分离及动态重构，诱导催化剂活性中心“Cu-Zn²⁺位点”的生成。研究发现催化剂表面Cu-Zn²⁺活性位点数量依赖于反应体系的氧化学势，并随CO₂/CO比或H₂O/H₂比呈现出“火山型”变化规律，致使合成甲醇的反应活性随CO₂/CO比或H₂O/H₂比大幅增加至最大值再逐渐降低。该研究首次从反应气氛诱导Cu/ZnO/Al₂O₃催化剂活性中心形成的角度，阐明了合成气中微量CO₂对工业合成甲醇速率促进作用的机制。