图书馆VIP精准智能化学全国重点实验室、化学与材料科学学院黄伟新教授课题组和复旦大学化学系商城教授课题组合作研究了ZnO-ZrO₂催化剂催化CO₂加氢制甲醇反应和CO加氢制甲醇反应的催化表界面化学，以实验测定的工作催化剂表面基元反应动力学来可靠桥连催化剂结构表征和计算模拟结果，揭示了截然不同的催化活性位和活性甲酸盐中间体（图1）。研究成果于5月18日以“Distinctly different active sites of ZnO-ZrO₂ catalysts in CO₂ and CO hydrogenation to methanol reactions”为题发表在Nature Communications 16 (2025) 4622。

图1.ZnO-ZrO₂催化剂催化CO₂加氢制甲醇反应和CO加氢制甲醇反应“活性位-活性甲酸盐对”示意图

明确催化剂活性位一直是多相催化基础研究的核心目标之一，但由于工作催化剂复杂性，这始终是一项长期的挑战。催化剂的活性位点会随着所催化的反应不同而发生变化。ZnO-ZrO₂复合氧化物是新型的高效催化CO₂和CO加氢制甲醇的催化剂，但其活性位和反应机理存在争议。黄伟新教授课题组之前发展了利用快扫原位漫反射红外光谱表征工作催化剂表面基元反应动力学来可靠研究工作催化剂表界面化学的研究策略（Angew. Chem. Int. Ed. 60 (2021) 6160; ACS Catal. 11 (2021) 10014; J. Phys. Chem. Lett. 14 (2023) 7229; ACS Catal. 14 (2024) 1922）。在该研究中，我们利用该策略，研究了工作条件下Zn20Zr80催化CO_x加氢反应的表面基元反应动力学，获得不同表面甲酸盐关键中间体加氢反应活化能（图2和3），以此作为实验证据可靠关联催化剂结构表征、宏观反应动力学和理论模拟结果，明确识别出Zn20Zr80催化剂催化CO₂加氢制甲醇反应活性位和活性甲酸盐物种分别为表面仅具有Zn-O-Zr配位结构的Zn₁单原子（-Zr-O-Zn-O-Zr-O-Zr-）和在邻近Zr位点吸附的桥式甲酸盐物种，而催化CO加氢制甲醇反应活性位和活性甲酸盐物种分别为表面同时具有Zn-O-Zr和Zn-O-Zn配位结构的部分还原Zn_n团簇（-Zn-O-Zn（-O-Zr-Vₒ-Zr-）-O-Zr-O-Zr-）和在邻近Zr位点吸附的桥式甲酸盐物种。

图2.Zn20Zr80催化CO₂加氢反应表面基元反应动力学

图3.Zn20Zr80催化CO加氢反应表面基元反应动力学

ZnO-ZrO₂催化剂在CO₂和CO加氢制甲醇反应中截然不同活性位的研究结果不仅揭示了催化剂活性位结构敏感依赖于所催化的化学反应，并且例证了工作催化剂“表面位-表面物种对”及其基元反应动力学是研究复杂催化反应催化剂活性位和反应机理的可靠策略。

图书馆VIP博士研究生丁洁琼和复旦大学博士研究生彭尧为文章共同第一作者，黄伟新教授和商城教授为文章共同通讯作者。该项研究得到了科技部、中国科学院、国家自然科学基金委员会和教育部等的经费支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-59996-5

（精准智能化学全国重点实验室、化学与材料科学学院、科研部）