借助可再生能源获得的H₂，将CO₂资源化利用转化为甲醇，不仅可以缓解对化石资源的过度依赖、保障国家能源安全，亦有助于双碳目标的实现。此外，甲醇可作为化工基础原料，亦可直接用作交通运输燃料或作为燃料添加剂，因此，利用绿色甲醇作为碳中性化学品与液体燃料，或通过醇喷路线制备可持续航空燃料SAF，可以有效应对未来碳边境调节机制挑战并满足可再生燃料的强劲需求。然而，高效CO₂加氢制甲醇催化剂的研发仍面临显著挑战。

中国科学院上海高等研究院（以下简称“上海高研院”）在低碳催化领域深耕十余载，取得了一系列突破性进展：在铁锌甲醇合成催化剂的基础上，通过物相结构调控引入碳化铁物相（Fe₅C₂）形成ZnFe₂O₄/Fe₅C₂界面，推动了产物由甲醇向乙醇等多碳含氧产物转变（Chem 2024, 10, 2245），通过阐明金属氧化物表面氧空位上CO₂加氢经甲酸盐生成甲醇的反应机理以及晶相和暴露面影响机制（Nat. Chem. 2017, 9, 1019；Sci. Adv. 2020, 6, eaaz2060），指导了工业CO₂加氢制甲醇催化剂的设计与开发，相关研究成果的系统总结与综述已发表于ACS Cent. Sci. 2020, 6, 1657; Annu. Rep. Comput. Chem. 2021, 17, 211; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202210095; Chin. J. Catal. 2022, 43, 2045。

近日，低碳转化科学与工程中心绿色碳科学团队/低碳催化与二氧化碳利用全国重点实验室高鹏和李圣刚研究员团队在ZnFe₂O₄催化CO₂加氢制甲醇的活性相研究中取得重要进展。研究团队系统考察了预处理气氛对尖晶石型ZnFe₂O₄氧化物结构及其催化性能的影响。发现经氩气预处理的ZnFe₂O₄保持了完整的尖晶石结构，在CO₂加氢反应中展现出高达96.1%的甲醇选择性；与之形成鲜明对比的是，在氢气中活化的催化剂，其尖晶石结构遭到显著破坏，致使CO和烃类成为主要产物。综合原位表征、动力学测试与密度泛函理论（DFT）计算揭示：结构完整的尖晶石型ZnFe₂O₄氧化物能为CO₂和H₂的吸附与活化提供最优的活性位点，从而实现高甲醇选择性；而ZnO和Fe₃O₄纳米颗粒表面，因CO₂解离为CO的能垒显著降低，更有利于CO的生成。此外，在H₂氛围下预处理的ZnFe₂O₄催化剂在反应中原位生成的Fe₅C₂物种，是催化产生甲烷及C₂₊烷烃的关键活性相。该研究为深入理解催化剂结构-性能关系提供了机制支撑，并为高效CO₂加氢催化剂的理性设计提供了新思路。

图1. 揭示ZnFe₂O₄催化CO₂加氢制甲醇的活性相示意图

研究成果以“Revealing the active phase of ZnFe₂O₄ catalyst for CO₂ hydrogenation to methanol”为题发表在Applied Catalysis B: Environment and Energy。论文的第一作者为上海高研院/中国科学院大学博士生张剑，共同一作为研究生缪泽忠，通讯作者为杨海艳副研究员、李圣刚研究员与高鹏研究员。同步辐射X-射线吸收表征通过与上海高研院光源科学中心李炯研究员在BL11B线站开展合作研究完成，原位高压漫反射红外通过与上海高研院光源科学中心吉特在BL06B线站开展合作研究完成。该研究工作得到国家重点研发计划（2024YFB4006400）的资助。

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https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125532