我室二维材料与能源小分子转化创新特区研究组（05T6组）邓德会研究员团队与厦门大学王野教授团队合作，在二氧化碳（CO2）催化加氢制甲醇研究中取得重要进展，首次利用富含硫空位的少层二硫化钼（MoS2）催化剂实现了低温、高效、长寿命催化CO2加氢制甲醇，其活性与选择性均显著优于商品Cu/ZnO/Al2O3催化剂，并显示出优异的稳定性。该催化剂为实现低能耗、高效率的CO2转化利用开辟了新途径。
CO2的高效转化利用对缓解能源危机以及实现“碳中和”目标具有重要的战略意义。利用基于可再生能源的绿色氢气（H2）与CO2反应制备甲醇是一条重要的途径。传统的金属氧化物催化剂通常需要较高的反应温度（>300℃）来催化CO2加氢制甲醇，往往伴随着严重的逆水煤气变换（RWGS）反应，导致产生大量副产物一氧化碳（CO）。在金属氧化物催化剂中引入过渡金属组分可以促进H2的活化从而降低反应温度，但同时又容易导致CO2过度加氢到甲烷（CH4），从而降低甲醇的选择性。金属/金属氧化物催化CO2加氢制甲醇体系中活性与选择性的相互制约，严重限制了其低温催化性能的提升。因此，为实现CO2低温高效加氢制甲醇，亟需寻求新的催化剂体系。
邓德会团队长期致力于二维催化材料与能源小分子转化研究，前期在调控二维MoS2的催化活性上取得系列进展（Nat. Commun.，2020；Angew. Chem. Int. Ed.，2020；Nano Energy，2020；Nano Energy，2019；Chem. Rev.，2019；Nat. Commun.，2017；Energy Environ. Sci.，2015）。在此基础上，该团队与王野团队合作研究发现，富含硫空位的少层MoS2可在低温甚至室温下将CO2和H2同时直接活化并解离，从而能够高活性、高选择性地催化CO2低温加氢到甲醇，并有效抑制了甲醇的过度加氢。该催化剂在180℃下，CO2单程转化率可达12.5%，同时甲醇选择性可达94.3%，显著优于商品Cu/ZnO/Al2O3催化剂以及此前报道的催化剂。此外，该催化剂的活性和选择性在180℃下能够稳定地维持3000小时而未见衰减，表现出了优异的工业应用潜力。原位表征与理论计算研究结果显示，MoS2面内硫空位是催化CO2高选择性加氢到甲醇的活性中心。该工作揭示了二维MoS2的硫空位在催化反应中的应用潜力，为开发CO2加氢新型催化剂提供了新思路。
相关研究成果于3月22日发表在《自然-催化》（Nature Catalysis）上。此外，《自然-催化》同期还以“不同寻常的空位催化（Catalysis by Unusual Vacancies）”为题，刊发了专家的评述文章，对该工作进行了高度评价。上述工作得到了国家科技部重点研发计划项目，国家自然科学基金基础科学中心、重大项目，中科院B类先导专项“功能纳米系统的精准构筑原理与测量”，教育部能源材料化学协同创新中心（2011·iChEM）等项目的资助。（文/图 胡景庭、于良）
