人类社会发展造成的二氧化碳（CO₂）大量排放已引发严重的环境及社会问题，目前积极发展CO₂催化转化技术是兼顾经济发展和遏制温室效应的重要途径。甲醇作为生产高附加值化学品且便于运输的重要中间体，是现代经济发展中重要的化工原料。CO₂加氢制甲醇技术是碳资源高效循环利用的有效途径，CO₂稳定的化学结构需要在较高温度下获得足够的活化能量，催化剂在该过程中扮演着十分重要的角色。探究催化剂表面结构与性能间的构效关系，在理解反应机理的基础上优化催化剂的结构性能是推进催化科学发展和工业化应用的重要过程。近期，郭新闻教授团队在CO₂催化加氢制甲醇方面取得了重要研究进展。

Zn基氧化物作为高效的高温CO₂加氢制甲醇催化剂，已被广泛用于构筑氧化物-沸石双功能催化剂，选择性催化CO₂加氢合成烃类化学品。但高温条件下的表面结构表征仍然存在很大挑战。因此，鉴定反应条件下的Zn基氧化物表面结构对于理解构-效关系、设计合成高性能甲醇合成催化剂至关重要。郭新闻教授团队在研究中发现ZnAl₂O₄在CO₂加氢反应中存在明显的诱导期，结合XRD, STEM，in situ FTIR和Raman等表征结果显示ZnAl₂O₄在反应过程中表面发生了重构。深度分析显示还原性气氛可诱导ZnAl₂O₄表面发生相分离，生成无定形氧化锌。在反应气氛中，H₂负责打断ZnAl₂O₄尖晶石表面的Zn-O键以及促进表面氧空位的生成，CO₂氧化部分还原的ZnAl₂O₄尖晶石表面，氧化还原循环破坏了ZnAl₂O₄尖晶石表面结构，使其表面发出重构产生具有甲醇生成活性的无定形ZnO相。结合动力学分析表明重构表面形成的无定形ZnO通过加速H₂的活化促进了甲醇的合成。该研究为理解锌基催化剂的表面结构和构效关系提供了新的见解。该研究成果发表在Applied Catalysis B: Environmental 2021, 284, 119700。

In₂O₃由于比ZnO更易被还原形成氧空位（活性位），其表面独特的活性位结构在中低温区间表现出优异的甲醇选择性，并由此引发了In₂O₃催化CO₂加氢制甲醇的研究热潮。郭新闻教授团队凭借多年CO₂催化转化的研究认识，从活性位点结构和反应机理从发，对In₂O₃催化CO₂加氢制甲醇催化剂性能改进策略进行了系统地归纳讨论。该综述立足于氧空位作为活性位点及甲酸盐路径在该反应过程中的重要作用，将提升In₂O₃催化CO₂加氢制甲醇性能的主要手段归纳为五个方面：1，增加活性位点数量，即通过引入载体提高In₂O₃的分散度、加快H₂活化促进氧空位形成等方式增加活性位点数目；2，促进H₂的活化，即通过负载零价过渡金属的方式促进H₂的解离活化（如Pd, Pt），在加快活性位点形成的同时促进CO₂和反应中间体的后续加氢过程；3，促进CO₂的吸附活化，即通过引入ZrO₂助剂、调节In₂O₃晶体结构等方式增强CO₂的吸附活化；4，稳定关键反应中间体，即通过构建In₂O₃-ZrO₂等界面对甲酸盐路径中的反应中间体进行稳定；5，引入新的活性位点，即通过形成In-M（M=Pd, Ni等）合金相，提升其固有催化性能并与In₂O₃之间产生协同作用提升其催化性能。此外本文还讨论了反应产物（CO和H₂O）对催化进程的影响，并对In₂O₃双功能催化体系进行了拓展讨论。最后对In₂O₃催化体系目前的研究重点、待解决问题和发展方向进行了讨论与展望，为In基催化剂的理解和发展提供了系统的归纳梳理和指导意见。该综述发表在ACS Catalsis. 2021, 11, 1406。

上述研究工作得到了国家重点研发计划项目的资助。