在较低温度下，将CO2转化为甲醇在热力学上是有利的。问题在于，在这些条件下CO2难以活化，导致催化性能较弱。升高温度虽然能加快反应速度，但也会促进一种被称为逆水煤气变换反应的竞争过程，该过程会产生不需要的副产物并降低甲醇选择性。催化活性与选择性之间这种长期的权衡限制了甲醇产率的提升。
新型催化剂设计克服了长期存在的权衡难题
在发表于《Chem》的一项研究中，由中国科学院大连化学物理研究所（DICP）的孙剑教授和于杰峰教授领导的研究人员开发了一种新型催化剂设计，旨在应对这一挑战。
他们的方法利用强金属-载体相互作用（SMSI）驱动的覆盖层结构，在催化剂内部实现活性位点的空间分离。这种设计允许不同的反应步骤在不同位置发生，从而提高了CO2生产甲醇的效率。
通过重构催化剂表面并改变反应物的吸附、解离以及在反应路径中的迁移方式，该团队在300 ℃和3 MPa条件下实现了1.2 g·gcat-1·h-1的时空产率。这一性能约为传统商业Cu/Zn/Al催化剂的三倍。
引导CO2向甲醇转化
研究人员发现，他们的催化剂促使CO2主要在氧化锆（ZrO2）位点上吸附和活化。这引导反应通过甲酸盐路径向甲醇生产方向进行。
在传统的铜基催化剂中，活化通常始于加氢发生前的C=O键断裂。新策略遵循不同的顺序。加氢首先在ZrO2位点上发生，随后才发生C=O键断裂。
据研究人员介绍，这种反应机理的改变显著减少了一氧化碳（CO）副产物的生成，同时保留了Cu位点高效解离H2的强大能力。
孙教授表示：“我们的研究可能为解决CO2合成甲醇过程中长期存在的活性与选择性权衡问题提供了一条新途径。”