催化学报 ›› 2027, Vol. 92: 316-327.DOI: 10.1016/S1872-2067(26)65168-6

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Cu-ZrO2界面精准调控用于CO2加氢制甲醇反应

赵洁a,b, 徐广远a,b, 陈飔a,b, 严欢a,b,*   

  1. a中国科学技术大学精准智能化学全国重点实验室, 安徽合肥 230026;
    b中国科学技术大学化学物理系, 安徽合肥 230026
  • 收稿日期:2026-02-11 接受日期:2026-03-16 出版日期:2027-01-18 发布日期:2026-10-30
  • 通讯作者: *电子信箱: yanhuan1@ustc.edu.cn (严欢).
  • 基金资助:
    国家重点研发计划(2023YFA1508200); 国家高层次人才青年项目(GG2060007005), 中国科学技术大学重大前沿研究计划(LS2060000002); 中国科学技术大学科研启动经费(KY2060000213, KY2060000204).

Precise tailoring of Cu-ZrO2 interfaces for CO2 hydrogenation to methanol

Jie Zhaoa,b, Guangyuan Xua,b, Si Chena,b, Huan Yana,b,*   

  1. aState Key Laboratory of Precision and Intelligent Chemistry, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, Anhui, China;
    bDepartment of Chemical Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, Anhui, China
  • Received:2026-02-11 Accepted:2026-03-16 Online:2027-01-18 Published:2026-10-30
  • Contact: *E-mail: yanhuan1@ustc.edu.cn (H. Yan).
  • Supported by:
    National Key Research and Development Program of China (2023YFA1508200), the National Natural Science Foundation of China (GG2060007005), the USTC Major Frontier Research Program (LS2060000002), and the USTC Start-up Grant (KY2060000213, KY2060000204).

摘要: 二氧化碳(CO2)加氢制甲醇被认为是实现碳资源高值转化与可再生能源化学储存的重要途径. Cu-ZrO2催化体系因在CO2加氢制甲醇反应中表现出良好的应用前景而备受关注, 其中Cu-ZrO2界面在CO2吸附活化、关键中间体转化及催化性能提升中发挥着重要作用. 然而, 传统制备方法对界面结构缺乏有效调控, 难以构筑结构明确、分布均一的Cu-ZrO2界面, 制约了催化性能的进一步提升, 也阻碍对界面作用机制的深入解析. 因此, 发展界面结构明确且可调的Cu-ZrO2催化体系, 对揭示界面构效关系并指导高效催化剂设计具有重要意义.
本文以Cu/Al2O3为模型催化剂, 采用原子层沉积(ALD)策略在Cu表面可控沉积ZrO2, 通过调变沉积循环次数构筑了一系列界面结构可调的Cu/Al2O3@xZrO2-A催化剂, 并以传统液相法制备样品作为参照, 比较不同制备策略下催化剂在界面结构、界面性质及反应行为上的差异, 以阐明界面调控对催化性能提升的关键作用. 结构表征结果表明, 相较于传统液相法易形成局部较厚的ZrO2团聚域, ALD法可在Cu表面构筑分布更均匀、分散度更高的ZrO2物种, 从而形成均一、结构明确的Cu-ZrO2界面. 催化评价结果表明, ALD法构筑的Cu-ZrO2界面更有利于甲醇生成, 其中经过2次ALD循环制备的Cu/Al2O3@2ZrO2-A催化性能最优; 在240 °C和5.0 MPa条件下, 其甲醇时空收率分别达到0.537 gMeOH gcat–1 h–1和9.59 gMeOH gCu–1 h–1. 该催化剂在400 h测试中保持优异耐久性, 与Cu/Al2O3催化剂相比稳定性得到明显提升. CO2-程序升温脱附、电子顺磁共振及X-射线光电子能谱结果表明, Cu/Al2O3@2ZrO2-A中高分散ZrO2物种赋予催化剂更高浓度的氧空位, 并增强了Cu-ZrO2界面相互作用. 该界面结构不仅有利于增强CO2吸附与活化, 而且能有效阻碍Cu颗粒的团聚和烧结. 原位漫反射红外光谱结果表明, 该催化体系中反应主要遵循甲酸盐路径: CO2首先形成碳酸(氢)盐物种, 随后逐步转化为甲酸盐和甲氧基等中间体, 最终生成甲醇; 其中, 优化后的Cu/Al2O3@2ZrO2-A不仅更有利于碳酸(氢)盐物种的形成, 而且能够促进关键中间体甲酸盐的生成与进一步转化. 综上, ALD方法构筑的均一Cu-ZrO2界面与富氧空位特征的高分散ZrO2物种能够协同增强Cu-ZrO2界面相互作用, 促进CO2的吸附与活化, 并加快反应中间体的生成与转化, 从而实现催化活性、选择性与稳定性的同步提升, 体现出界面精准调控在催化剂设计中的重要作用.
综上, 本文通过ALD调控ZrO2在Cu表面的沉积, 可实现Cu-ZrO2界面结构的有效优化, 从而提升CO2加氢制甲醇性能. 该工作加深了对Cu-ZrO2界面构效关系的认识, 并为复杂多相催化体系中界面结构的合理设计提供了新的思路.

关键词: 二氧化碳加氢, 甲醇, 铜–氧化锆界面, 原子层沉积, 氧空位

Abstract: The rational design of metal-oxide interfaces is crucial for efficient CO2 hydrogenation to methanol. Here, highly dispersed ZrO2 coating was precisely modulated on the Cu/Al2O3 via atomic layer deposition, obtaining a uniform and well-defined Cu-ZrO2 interfaces. Compared with traditional methods, the optimized Cu/Al2O3@2ZrO2-A catalyst exhibited significantly enhanced CO2 conversion and methanol selectivity, achieving a methanol space-time yield of 0.537 gMeOH g-cat–1 h–1 and 9.59 g-MeOH gCu–1 h–1 at 240 °C, along with long-term stability over 400 h. Structural and electronic characterizations revealed that uniform Cu-ZrO2 interfaces with highly dispersed and vacancy-rich ZrO2 coating were achieved on the Cu/Al2O3@2ZrO2-A catalyst, demonstrating high CO2 adsorption and activation. In situ spectroscopic studies demonstrated that the uniform and robust Cu-ZrO2 interface with oxygen vacancy-rich ZrO2 coating could enhance the formation and transformation of formate intermediate. This work provides a potentially efficient strategy for precisely modulating the interface for other challenging reactions.

Key words: CO2 hydrogenation, Methanol, Cu-ZrO2 interface, Atomic layer deposition, Oxygen vacancies