研究人员开发出一种前沿催化剂，可将二氧化碳转化为甲醇，其效率超越以往任何方法。他们摒弃了传统的金属原子簇，转而构建了一个由单个铟原子主动驱动反应的系统。这一创新大幅降低了能源需求，同时使该过程更易于研究与优化。其成果有望加速推进清洁燃料及可持续化学品生产的发展进程。
为了使化学反应更简便、更高效，化学家们依赖于一种被称为催化剂的物质。这些“反应帮手”能够降低反应所需的能量。最高效的催化剂通常含有金属，包括稀有和昂贵的金属。
突破性催化剂将二氧化碳转化为甲醇
苏黎世联邦理工学院的研究人员现在在催化剂设计方面取得了重大进展。他们的新系统显著降低了从二氧化碳和氢气生产甲醇（一种醇类）所需的能量。
该团队还实现了对金属铟的异常高效利用。在这种催化剂中，每一个铟原子都充当一个独立的活性位点。这与传统的、将金属聚集在颗粒中的方法相比，是一个重大转变。
另一个关键优势是提高了精确度。过去，催化剂开发常常依赖于反复试验。这种新设计使科学家能够更好地观察和理解表面发生的反应，为更审慎、更优化的催化剂开发打开了大门。
甲醇在可持续化学中的作用
“甲醇是生产各种化学品和材料（例如塑料）的通用前体——可以这么说，它是化学界的瑞士军刀，”苏黎世联邦理工学院催化工程学教授哈维尔·佩雷斯-拉米雷斯表示。
甲醇对于生产燃料和材料至关重要，并且在摆脱化石燃料的努力中扮演着越来越重要的角色。如果该过程中使用的氢气和能源来自可再生资源，那么甲醇生产可能实现气候中和。
这种方法也为利用二氧化碳提供了新途径。与其将其释放到大气中，不如将其捕获并转化为有价值的原材料。
单原子催化剂最大化效率
“我们的新型催化剂采用单原子结构，其中孤立的活性金属原子被锚定在一种特殊开发的载体材料表面，”佩雷斯-拉米雷斯解释道。
在传统催化剂中，金属通常聚集成小颗粒，这些颗粒可能包含数百甚至数千个原子。这些原子中的许多并不直接参与反应，使得过程效率较低。
单原子催化剂代表了一种更高效的替代方案。通过在单个原子层面使用金属，科学家可以更有效地利用稀缺和昂贵的元素。在某些情况下，这甚至使得在工业应用中使用贵金属变得切实可行。
处理孤立的原子也可以改变催化剂的行为方式。“铟在这种催化剂中的使用已有十多年，”佩雷斯-拉米雷斯说。“在我们的研究中，我们表明，与含有大量原子的纳米颗粒形式的铟相比，二氧化铪上孤立的铟原子能够更高效地基于二氧化碳合成甲醇。”
设计稳定的单原子催化剂
为了将单个铟原子精确地置于二氧化铪表面，苏黎世联邦理工学院的团队与其他研究小组合作，开发了几种新的合成方法。一个关键因素是设计一种载体材料，既能保持原子的稳定性，又能让它们保持反应活性。
其中一种方法是在2000至3000°C的温度下用火焰燃烧起始材料，然后快速冷却。在这些条件下，铟原子保留在表面并被牢固地嵌入。
由此产生的催化剂具有高度耐用性。研究人员表明，这些单原子系统可以承受苛刻的条件，包括高温和高压。这一点很重要，因为从二氧化碳和氢气生产甲醇通常需要高达300°C的温度和高达正常大气压50倍的压力。
更清晰地洞察反应机理
长期以来，由纳米颗粒制成的传统催化剂一直难以研究。尽管反应发生在表面原子上，但测量中的许多信号来自颗粒内部不参与反应的原子。这使得解释实际发生的情况变得更加困难。
使用单原子催化剂，这个问题得到了缓解。因为只存在孤立的原子，科学家可以以更少的干扰来分析反应机理，从而获得更清晰的认识。
佩雷斯-拉米雷斯自2010年以来一直致力于改进基于二氧化碳的甲醇生产，并与工业界密切合作。他还拥有该领域的多项专利。据他所说，这种新型催化剂的成功得益于瑞士研究界的紧密合作：“没有这种跨学科的专业知识，甲醇催化剂的开发和机理的详细分析是不可能实现的。”