全球變暖的“元兇”二氧化碳，正被科學家們“變廢為寶”——將其加氫轉化為甲醇，不僅能減少溫室氣體排放，還能生產重要化工原料和清潔燃料。但傳統催化劑要么選擇性低、要么易失活，讓這一技術難以大規模應用。我國科研團隊在《Frontiers of Chemical Science and Engineering》上發表的一篇綜述，為解決這一難題提供了新思路：氧化銦（In?O?）基催化劑在二氧化碳加氫制甲醇反應中展現出近100%的選擇性，其性能優化的“密鑰”正被逐步解鎖。

傳統催化劑的“卡脖子”難題

二氧化碳是出了名的“穩定分子”，要讓它與氫氣反應生成甲醇，需要催化劑“牽線搭橋”。目前工業常用的銅基催化劑（如Cu/ZnO/Al?O?），在高溫高壓下甲醇選擇性僅約40%，還容易因燒結失活；貴金屬催化劑雖穩定，但成本高且吸附二氧化碳能力弱。如何找到“高活性、高選擇性、長壽命”的催化劑，成了領域內的核心挑戰。

氧化銦：藏在“缺陷”里的潛力股

氧化銦的“逆襲”，源于其獨特的表面結構。它是一種n型半導體，表面存在大量“氧空位”——就像催化劑表面的“小坑”，能精準吸附二氧化碳分子，并為后續加氫反應提供活性位點。實驗發現，氧化銦基催化劑在甲醇水蒸氣重整反應中甚至能實現近100%的二氧化碳選擇性，幾乎不產生副產物一氧化碳，這讓它成為替代傳統催化劑的“潛力股”。

不過，純氧化銦也有短板：催化活性不足，需在高溫高壓（>300℃、>1MPa）下才能有效反應。為突破限制，科研人員從“結構調控”入手，總結出一套“性能優化工具箱”：

  • 給氫氣“開綠燈”：在氧化銦表面負載鈀、銠等金屬顆粒，這些金屬像“氫氣分解器”，能高效解離氫氣為活性氫原子，再通過“氫溢出”遷移到氧化銦表面，促進氧空位形成；
  • 給二氧化碳“建接口”：通過金屬-氧化銦界面的強相互作用，調整電子分布，讓界面成為二氧化碳吸附的“專屬區域”，提升反應效率；
  • 給結構“加保險”：引入氧化鋯、氧化鈦等金屬氧化物，既能穩定氧空位、防止氧化銦過度還原為金屬銦（導致失活），又能增強表面對二氧化碳的吸附能力；
  • 給活性“調參數”：通過形成金屬固溶體或復合催化劑，改變活性位點特性，進一步優化甲醇選擇性。

實驗室到工業：還有多遠？

這些優化策略已在實驗中展現成效。例如，負載鈀的氧化銦催化劑在573K（約300℃）、5MPa條件下，甲醇時空產率（單位時間單位質量催化劑的甲醇產量）可達0.89g/(h·g)，選擇性超70%；負載氧化鋯的氧化銦催化劑穩定性更突出，連續運行1000小時仍保持高效。

但要真正走向工業應用，仍有挑戰：如何精準控制氧空位的數量和分布？金屬-載體相互作用過強會生成合金，反而降低活性；過弱則無法穩定結構——平衡“力度”是門技術活。此外，氧化銦的成本和工業制備工藝也需進一步優化。

未來：更“聰明”的催化劑

論文指出，未來研究可聚焦兩方面：一是通過原子級調控，設計具有高密度、高穩定性氧空位的催化劑；二是開發“雙功能復合催化劑”，結合不同材料的優勢，同時提升吸附、活化和轉化效率。隨著這些問題的解決，或許在不久的將來，二氧化碳變甲醇的技術能真正“落地”，為碳中和目標提供更有力的支撐。

來源: 化學工程前沿FCSE