近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室二維材料與能源小分子轉化創(chuàng)新特區(qū)研究組研究員鄧德會團隊，與廈門大學教授王野團隊合作，在二氧化碳（CO₂）催化加氫制甲醇研究中取得重要進展，首次利用富含硫空位的少層二硫化鉬（MoS₂）催化劑，實現了低溫、高效、長壽命催化CO₂加氫制甲醇，其活性與選擇性均顯著優(yōu)于商品Cu/ZnO/Al₂O₃催化劑，并顯示出優(yōu)異的穩(wěn)定性。該催化劑為實現低能耗、高效率的CO₂轉化利用開辟了新途徑。

CO₂的高效轉化利用對緩解能源危機及實現“碳中和”目標具有重要的戰(zhàn)略意義。利用基于可再生能源的綠色氫氣（H₂）與CO₂反應制備甲醇是重要的途徑。傳統(tǒng)的金屬氧化物催化劑通常需要較高的反應溫度（>300oC）來催化CO₂加氫制甲醇，往往伴隨著嚴重的逆水煤氣變換（RWGS）反應，導致產生大量副產物一氧化碳（CO）。在金屬氧化物催化劑中引入過渡金屬組分可促進H₂的活化從而降低反應溫度，卻易導致CO₂過度加氫到甲烷（CH₄），從而降低甲醇的選擇性。金屬/金屬氧化物催化CO₂加氫制甲醇體系中活性與選擇性的相互制約，限制了其低溫催化性能的提升。因此，為實現CO₂低溫高效加氫制甲醇，亟須尋求新的催化劑體系。

鄧德會團隊致力于二維催化材料與能源小分子轉化研究，前期在調控二維MoS₂的催化活性研究中取得系列進展（Nat. Commun.，2020；Angew. Chem. Int. Ed.，2020；Nano Energy，2020；Nano Energy，2019；Chem. Rev.，2019；Nat. Commun.，2017；Energy Environ. Sci.，2015）。在此基礎上，該團隊與王野團隊合作研究發(fā)現，富含硫空位的少層MoS₂可在低溫甚至室溫下將CO₂和H₂同時直接活化并解離，從而能夠高活性、高選擇性地催化CO₂低溫加氫到甲醇，并有效抑制了甲醇的過度加氫。該催化劑在180oC下，CO₂單程轉化率可達12.5%，同時甲醇選擇性可達94.3%，顯著優(yōu)于商品Cu/ZnO/Al₂O₃催化劑以及此前報道的催化劑。此外，該催化劑的活性和選擇性在180oC下能夠穩(wěn)定地維持3000小時而未見衰減，表現出優(yōu)異的工業(yè)應用潛力。原位表征與理論計算研究結果顯示，MoS₂面內硫空位是催化CO₂高選擇性加氫到甲醇的活性中心。該研究揭示了二維MoS₂的硫空位在催化反應中的應用潛力，為開發(fā)CO₂加氫新型催化劑提供了新思路。

3月22日，相關研究成果發(fā)表在《自然-催化》（Nature Catalysis）上。此外，《自然-催化》同期還以《不同尋常的空位催化》（Catalysis by Unusual Vacancies）為題，刊發(fā)了評述文章。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃，國家自然科學基金基礎科學中心、重大項目，中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）“功能納米系統(tǒng)的精準構筑原理與測量”，以及教育部能源材料化學協(xié)同創(chuàng)新中心等的資助。

大連化物所實現低溫、高效、長壽命二氧化碳催化加氫制甲醇