“把二氧化碳變成甲醇”——這個聽起來像魔法的過程，正逐漸成為現實。作為全球變暖的主因，二氧化碳的減排與資源化利用是科學界的“硬骨頭”。而甲醇作為重要化工原料和清潔燃料，若能通過二氧化碳加氫高效合成，將為碳中和提供關鍵技術支撐。我國科研團隊在《Frontiers of Chemical Science and Engineering》上的一項綜述，揭示了氧化銦（In?O?）基催化劑的“超能力”——在二氧化碳加氫制甲醇反應中，其選擇性接近100%，有望改寫傳統催化劑的“低效史”。

傳統催化劑：“能打”但“不專”

二氧化碳分子極其穩定，要讓它與氫氣反應生成甲醇，必須依賴催化劑的“助攻”。目前工業主流的銅基催化劑（如Cu/ZnO/Al?O?），雖能在高溫高壓下催化反應，但甲醇選擇性僅約40%，副產物一氧化碳的生成還會“搶戲”；貴金屬催化劑雖穩定，卻因成本高、吸附二氧化碳能力弱，難以大規模應用。如何找到“既高效又專一”的催化劑，成了制約技術落地的核心難題。

氧化銦：靠“缺陷”逆襲的“潛力股”

氧化銦的“逆襲”源于其獨特的表面結構。這種n型半導體材料（通俗理解為“能導電的氧化物”）表面存在大量“氧空位”——就像催化劑表面布滿的“小坑”，這些“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，在甲醇水蒸氣重整反應中，氧化銦基催化劑對二氧化碳的選擇性接近100%，幾乎不產生一氧化碳，這一特性讓它在同類材料中脫穎而出。

但純氧化銦也有“硬傷”：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“結構改造”入手，總結出一套“性能優化組合拳”：

  • 給氫氣“開通道”：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”，能高效將氫氣解離為活性氫原子，再通過“氫溢出”遷移到氧化銦表面，促進氧空位形成；
  • 給界面“加buff”：通過金屬與氧化銦的強相互作用，調整界面電子分布，形成二氧化碳的“專屬吸附區”，提升反應效率；
  • 給結構“上保險”：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而失活），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：還有幾道“坎”？

這些優化策略已在實驗中初見成效。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，仍需跨越幾道“坎”：如何精準控制氧空位的數量和分布？金屬與載體的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”的催化劑在路上

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，工廠的廢氣能直接轉化為甲醇燃料，“變廢為寶”的愿景將照進現實。

來源: 化學工程前沿FCSE