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天津市能譜科技有限公司
時間: 2025-10-11 瀏覽量: 127 -
碳資源循環利用 
在“雙碳” 目標落地的關鍵階段，如何把 “溫室氣體” CO?變成高價值的甲醇，一直是科研界的熱門課題。近日，浙江大學聯合內蒙古大青山實驗室的研究團隊傳來好消息 —— 他們開發的 Cu-ZnO/Nb?C@Nb?O?催化劑，在 CO?加氫制甲醇反應中表現驚艷，不僅甲醇產率高達 247mg/(gcat?h)，選擇性更是達到 74.3%，連續運行 60h 性能幾乎無衰減！這一成果為碳資源循環利用提供了全新解決方案，相關研究思路值得重點關注。
傳統催化劑的“痛點”，終于被 MXene 破解了 
提到 CO?加氫制甲醇，大家首先會想到傳統的 Cu/ZnO/Al?O?催化劑。雖然這類催化劑早已初步應用，但一直存在兩個致命問題：一是高溫下 Cu 顆粒容易團聚、ZnO 易燒結，導致使用壽命短；二是甲醇選擇性始終上不去，難以滿足工業高要求。
團隊研究員：“傳統催化劑里的 Al?O?作為助劑，對 Cu 和 ZnO 的錨定能力有限，而且金屬 - 載體相互作用（SMSI）容易過度包裹活性位點，反而影響催化效率。” 為了突破這一局限，團隊把目光投向了近年來大火的新型材料 ——MXene。
MXene 是一類二維過渡金屬碳化物 / 氮化物，通式為 M???X?T?，其中的 “M 位點”（不飽和過渡金屬位點）兼具碳材料的高擴散性和金屬氧化物的可還原性，既能調控負載金屬的結構，又能增強對小分子氣體的吸附。這次團隊選用的 Nb?C MXene，就是憑借其獨特的層間結構和不飽和 Nb 位點，成為了催化劑的 “核心骨架”。
電子轉移“神操作”，讓催化劑活性翻倍 
研究的關鍵突破，在于團隊巧妙利用了 Nb?C 與 Cu 之間的 “電子金屬 - 載體相互作用（EMSI）”。通過 X 射線光電子能譜（XPS）和密度泛函理論（DFT）計算證實：Nb?C 中的不飽和 Nb 位點會向 Cu 物種轉移電子，讓 Cu 表面變成 “富電子狀態”—— 而這恰恰是 CO?活化的 “關鍵密碼”！
“富電子的 Cu 表面能更輕松地‘抓住’CO?分子，同時 Nb 位點還能促進 H?的吸附和解離。”通過氫氣程序升溫還原（H?-TPR）和程序升溫脫附（TPD）實驗發現，Nb?C@Nb?O?（Nb?C 部分氧化形成）不僅保留了對 H?、CO?的強吸附能力，還能通過對 CO * 的強吸附，有效抑制 CO 脫附，引導反應朝著生成甲醇的方向進行。
更值得一提的是，團隊通過調控 Cu:Zn:Nb?C 的比例，找到了最佳配比 ——4:2:10。此時催化劑形成了穩定的 Cu-Zn-Nb 界面結構，既保證了 Cu 納米顆粒的分散性，又強化了 EMSI 作用，實現了 “活性” 與 “選擇性” 的完美平衡。
原位表征“拍案叫絕”，揭開反應機理面紗 
為了搞清楚 CO?到底是如何一步步變成甲醇的，團隊借助能譜科技 iCAN 5000 型研究級傅立葉變換紅外光譜儀，開展了高壓原位 DRIFTS 實驗。在 3MPa、120-240℃的真實反應條件下，成功捕捉到了關鍵中間體的 “動態軌跡”：
?120℃時，檢測到 HOCO*（1652cm?1、1540cm?1）和 CO*（2077cm?1、2057cm?1）信號，說明 CO?先轉化為 HOCO*，再解離為 CO*；
?200℃時，H?CO*（981cm?1、1051cm?1）信號增強，證明 CO * 開始向甲醇前體轉化；
?240℃時，H?CO信號最強，同時未檢測到 HCOO（甲酸鹽）特征峰，直接證實反應遵循“RWGS（逆水煤氣變換）+CO 加氫” 路徑，而非傳統的甲酸鹽路徑。
“這一發現顛覆了以往對部分 Cu 基催化劑反應路徑的認知，為后續催化劑設計提供了明確方向。”
性能碾壓同類催化劑，工業應用指日可待
在240℃、3MPa 的最優反應條件下，這款 Cu-ZnO/Nb?C@Nb?O?催化劑的表現堪稱 “佼佼者”：
?甲醇產率 247mg/(gcat?h)，遠超多數已報道的 Cu 基催化劑；
?甲醇選擇性 74.3%，有效抑制副產物 CO 生成；
?連續運行 60h，CO?轉化率、甲醇選擇性和產率幾乎無波動，結構穩定性拉滿。
對比傳統 Cu/ZnO/Al?O?催化劑，這款新催化劑不僅解決了 “壽命短、選擇性低” 的痛點，還借助 MXene 材料的可調控性，為后續性能優化留下了巨大空間。“下一步我們計劃進一步強化 Nb 位點與 Cu 的電子相互作用，探索更高壓力、更高溫度下的反應性能，推動其向工業化應用邁進。”
（本文參考自浙江大學團隊相關研究成果，原文核心數據及機理分析已通過嚴謹實驗驗證，如需深入了解可查閱原文或聯系團隊獲取支持信息。）
設備推薦 
該研究提及的傅里葉變換紅外光譜儀是采用天津能譜科技出品的iCAN5000研究級傅立葉變換紅外光譜：
干涉儀：具有三維激光控制全自動調整和高速掃描動態準直控制功能磁浮式干涉儀技術保證長期檢測的高穩定性和準確性，無光譜偏離和失真。良好的可靠性、完美的穩定性和極強的抗干擾性能；
光學系統：全部使用金反射鏡，采用干燥密閉全合金光學臺箱體，光路引出和引人口配備防霧化鍍層的紅外透射密封窗片，具有高穩固性和干燥防潮性能。光學臺與樣品倉采用獨立分體設計， 超大樣品倉可以擴展各種紅外分析檢測應用。
檢測器：可選高靈敏度DLATGS、電子制冷MCT、液氮制冷MCT等。
固態激光器：性能穩定，使用壽命達10年以上
光源：進口高性能，長壽命光源，光源具有自動休眠功能。
