近日，昆明理工大学环境科学与工程学院宁平/张秋林教授团队在Ni/CeO2催化剂制备及其CO2加氢机理研究方面取得重要进展，相关研究成果以“Frustrated Lewis Pairs Boosting Low-Temperature CO2 Methanation Performance over Ni/CeO2 Nanocatalysts”为题，发表在催化领域顶级期刊ACS Catalysis上（中科院分区双一区，影响因子：13.7）。
CO2在Ni/CeO2催化剂表面的加氢甲烷化机理及催化活性
碳中和碳达峰目标是基于推动构建人类命运共同体的责任担当和实现可持续发展的内在要求作出的重大战略决策。开发高效的CO2资源化利用技术，可为实现双碳的目标作出贡献。在众多CO2利用技术中，CO2加氢甲烷化由于其在CO2循环和能源结构优化方面的潜力而被认为是最有前景的“电制气”过程之一。
在原子尺度上理解催化反应机理是设计开发高效催化剂的重要前提。然而，二氧化碳加氢甲烷化多步反应的复杂性对理解催化剂表面活性位点结构和反应机理的关系带来了巨大的挑战。因此，目前针对CO2甲烷化在Ni/CeO2这一热门催化剂表面的反应机理仍存在争议。为此，本课题组基于CeO2暴露晶面与位阻Lewis对（FLPs）位点分布的关系，提出了一种通过调控催化剂表面FLPs分布来探究活性位点结构和甲烷化反应机理关系的思路。原位Raman和原位漫反射红外（DRIFTS）结果表示，由于Ni/CeO2-R上CeO2（110）晶面的特性以及氧空位和相邻羟基物种之间的空间位阻，FLPs结构可在催化剂的预还原过程中逐渐产生并在高温下保持稳定（400 ℃），随后在低温条件（225 ℃）下积极参与CO2加氢反应。催化剂活性评价结果显示，即使在225 ℃的低温下，富含FLPs的Ni/CeO2-R可达到147.1 mmol gcat-1 h-1的甲烷产率，是贫FLPs的Ni/CeO2-O的12.8倍。之后，原位DRIFTS和密度泛函理论（DFT）计算结果证明，FLPs结构不仅促进了HCO3*向HCOO*的转化（甲酸盐途径），还利于低温下CO2裂解成CO*（CO*途径）。这种“共促进”作用有效地提升了催化剂的本征活性。该工作有望为设计CO2加氢催化剂的设计拓宽思路。
该研究成果在昆明理工大学冶金及化工行业废弃资源化国家地方联合工程研究中心、清华大学郝吉明院士团队等平台支撑下完成。昆明理工大学环境科学与工程学院博士研究生谢宇、硕士生导师陈建军为共同第一作者，宁平教授和张秋林教授为论文共同通讯作者，昆明理工大学为唯一通讯单位。研究工作受到国家重点研发计划项目(2019YFC0214403)的资助。
链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.2c02535
