近日，我所氢能与先进材料研究部碳资源小分子与氢能利用研究组（DNL1905组）刘岳峰研究员等与成都大学康辉特聘研究员、太原理工大学章日光教授、意大利墨西拿大学Gabriele Centi教授等团队合作，在二氧化碳（CO2）加氢催化领域取得新进展。合作团队利用化学反应诱导的催化剂表面动态重构策略，在2 wt%钴（Co）负载的氧化锰（MnOx）催化剂上，通过匹配金属的亲碳能力与氧化物的亲氧能力，形成了碳修饰钴基活性中心，使CO2加氢产物反应主产物从甲烷（CH4）转变成一氧化碳（CO），CO/CH4产物比从初始0.89提升至13.4。该工作为CO2高值化转化及工业催化选择性调控提供了新思路。
在催化反应过程中，催化剂活性金属的积碳、烧结等结构变化通常被认为会导致催化活性失活，是工业催化中亟待避免的问题。但若能有效调控这类结构变化带来的化学性质转变，则可能构筑出适用于目标反应的活性中心。
在本工作中，研究人员发现，质量百分数为2 wt%的金属负载的2Co/MnOx催化剂在CO2加氢反应中展现出非常规的产物选择性变化，而这一现象在二氧化钛（TiO2）、二氧化硅（SiO2）等常规载体，或高/低钴载量的MnOx 负载型催化剂中均未出现。团队通过系列原位表征与理论计算证实，CO2加氢反应生成的一氧化碳（CO）是诱导选择性转变的核心分子：CO在Co-MnO界面形成独特的Co-C-O-Mn桥式吸附结构，该结构借助钴的亲碳性和氧化锰的亲氧性协同作用，降低了C-O键解离能垒，促使CO快速解离为碳原子并迁移至钴纳米簇表面，逐步形成聚合碳物种，完成对催化剂的表面修饰。
这种碳修饰结构能有效抑制CO的二次吸附与加氢，使反应中生成的CO更易脱附而非进一步转化为CH4，从而实现产物从CH4向CO的转变。同时，催化剂表面的碳沉积过程始终处于CO解离成碳与氢气（H2）加氢消碳的动态平衡中：常规载体因缺乏高效的CO解离能力，无法形成有效碳修饰；高钴载量催化剂则因提供更多H2吸附解离位点，加速碳物种移除，同样难以实现可控碳沉积，这也解释了该选择性调控效应的独特性。
相关研究成果以“Reaction-Induced Modification of Co Nanoclusters Driven by Co-Mn Interfacial Sites to Control Selectivity in CO2 Hydrogenation”为题，于近日发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。该工作的第一作者是我所已毕业联合培养博士研究生康辉和太原理工大学博士研究生曹蓉。上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、辽宁省自然科学基金、我所创新基金等项目的资助。（文/图 康辉）
