中科院化学所韩布兴院士团队用荧飒原位红外光谱解析LOC／Cu催化CO₂加氢制甲醇全过程

中国科学院化学研究所韩布兴院士团队以La₂O₂CO₃（简写LOC）作为载体，通过两步沉淀法制备了一系列不同La/Cu质量比的LOC/Cu-x催化剂，通过评价催化剂的催化性能确定了最佳的Cu含量，本研究对Cu基催化剂高效合成甲醇的设计和优化提供了新的思路。研究成果以“Synthesis of methanol via CO₂ hydrogenation catalyzed by La₂O₂CO₃/Cu catalysts”为题发表在国际著名期刊Nano Research上。中国科学院化学研究所为该论文第一单位，何君为第一作者。我们为大家分享该研究成果，希望对您的科学研究带来一些启发。

应用方向：CO₂加氢、甲醇、非均相催化剂、Cu-LOC 相互作用

近年来，碳排放导致大气中CO₂浓度不断升高，全球变暖、海平面上升等一系列生态环境问题对人类社会构成了严重的威胁。通过CO₂加氢促进碳的循环利用，不仅解决了碳排放过剩的问题，还能将可再生的氢能转化为有价值的化学品。甲醇是人类生产和日常生活中必不可少的基础化学品和燃料，具有较高的经济和社会价值。因此，CO₂加氢制备甲醇反应的研究具有重要的意义。Cu基催化剂是公认的经济高效的甲醇合成催化剂，但是金属Cu本身反应活性较低，其反应性能会强烈受到载体的影响，这种特性使得对Cu与载体之间的界面结构、电子转移等的调控变得十分重要。

 针对这些难题和挑战，该研究团队以La₂O₂CO₃（简写LOC）作为载体，通过两步沉淀法制备了一系列不同La/Cu质量比的LOC/Cu-x催化剂（其中x代表催化剂中La和Cu的质量比值），如图1，通过评价催化剂的催化性能确定了最佳的Cu含量。LOC/Cu-x催化剂中不同的Cu负载量可导致Cu表面缺失电子或者富集电子，从而显著影响CO₂加氢反应产物中CH₄和CH₃OH的选择性。本研究对Cu基催化剂的设计和优化提供了新的思路。

图1

研究团队基于两步沉淀法来合成了系列LOC/Cu-x催化剂（x = 0.1、0.2、0.5、1、3和5），CO(NH₂)₂和NaOH分别作为相应金属前驱体的沉淀剂，在500°C的温度下煅烧4h后以获得催化剂前驱体。催化剂前驱体在300°C、10%H₂/Ar气氛中还原后得到LOC/Cu-x催化剂。LOC/Cu-x催化剂的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像如图2所示，LOC呈现出棒状形貌，Cu颗粒均匀分散在LOC表面。LOC/Cu-1由Cu（100）晶面和LOC（130）晶面组成，其晶格间距分别为0.35nm和0.31nm，显示出较长的LOC-Cu界面。能量色散X光谱（EDS）图像表明，这些催化剂中均含有La、Cu、C和O元素，并且在催化剂表面有均匀的分布。

图2

目前已有的文献表明，CO₂加氢制备甲醇主要通过两种可能的反应途径：甲酸盐途径（HCOO*）和CO*途径。文中采用原位红外（FOLI10-R-T）对反应中间体进行了探究，如图3所示结果，为氢气活化后的LOC/Cu-1催化剂在150℃的温度下暴露于流动CO₂中的原位红外光谱。位于2075 cm^-1处的峰归属于与金属Cu表面相结合的羰基伸缩振动（Cu-C=O），位于1677 cm^-1处的峰对应于Cu（100）晶面位点上的羰基伸缩振动（C=O），在1580 cm^-1位置处观察到的特征峰与O-C=O不对称伸缩振动有关，O-C=O可以进一步氢化生成C=O。基于原位红外和系列控制实验的结果，我们推断LOC/Cu-1催化CO₂加氢生成甲醇是通过CO*途径进行的。

图3

关于此文章的更多细节请查看原文链接：https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907130

配置推荐：

该研究提及的原位红外光谱仪（in situ FTIR）是采用荧飒光学仪器公司生产的FOLI10-R-T双通道、双样品腔配合原位透射池/原位漫反射池测试得到的。FOLI10-R-T创新性地为用户提供双腔双检测器配置，无需用户更换附件（如图4），该原位红外光谱仪可以为催化用户提供丰富的光谱信息：

• 研究催化剂的化学反应动力学

• 用于在线研究催化剂在高温或高压或高真空环境下的催化性能

• 获得催化反应的反应机理和反应过程

• 通过对探针气体分子与催化剂在不同温度下的吸附和脱附实验，可以了解催化剂表面的吸附活性位和吸附性能

• 对催化剂的酸碱性能进行有效表征

• 为制备新型的催化剂提供实验数据

• 实现对催化剂样品的成分鉴定和结构分析

图4

关于荧飒：

荧飒光学是一家专注于傅里叶变换红外光谱仪的自主研发和生产的高新技术公司。公司汇集了来自于众多一流高校及研究所的硕士、博士研究生人才，研发团队涉及光学、电路控制、软件开发、化学计量学以及自动化系统集成等多个方向，是国产高端傅里叶变换红外光谱仪的引领者。