通过可再生能源产生的氢气将CO₂选择还原生成甲醇是实现CO₂资源化利用与碳中和的可能途径，是当今的研究热点。产品甲醇即可作为液态有机氢载体，亦可作为平台化合物分子进一步转化为高值化学品。Cu/ZnO/Al₂O₃是以CO-CO₂为原料合成甲醇的经典工业催化剂，但其在纯CO₂加氢反应中性能欠佳，同时关于Cu活性位点认识存在极大争议，严重制约了此反应的进一步发展。

近日，《国家科学评论》（National  Science  Review）刊登了南开大学最新研究成果“Zeolite-encaged mononuclear copper centers catalyze CO₂ selective hydrogenation to methanol”。南开大学化学学院柴玉超博士与秦斌博士为共同第一作者，李兰冬研究员为通讯作者。该研究团队设计构筑分子筛限域单核Cu离子（Cu@FAU；图1），利用Cu离子与分子筛骨架O形成的限域{Cu-O}Lewis酸碱对异裂活化氢分子进而完成CO₂加氢反应，在较低的温度条件下（~513 K）获得了优异的催化活性、甲醇选择性（89.5 %）以及催化稳定性，其综合性能在Cu基催化剂中处于顶尖水平，具备良好的工业应用前景。

图1. Cu@FAU分子筛结构与孤立Cu离子配位环境

结合原位谱学、动力学分析与计算模拟，该团队阐明了CO₂逐步加氢制甲醇的微观反应路径，中间经历了-HCOO、-HCOOH、-CH₂O以及-CH₃O中间物种（图2）。本研究首次揭示分子筛限域的单核Cu离子即可催化复杂的CO₂选择加氢制甲醇反应，整个反应过程涉及三分子氢活化，分别是CO₂吸附辅助氢异裂活化、HCOOH吸附辅助氢异裂活化与CH₂O吸附辅助氢异裂活化。此研究结果为Cu基甲醇合成催化剂活性中心认识以及CO₂选择加氢催化剂设计提供了新的思路。

图2. Cu@FAU催化CO₂选择加氢路径

该研究工作得到了南开大学百名青年学科带头人培养计划等项目资助。