近日，山东大学化学与化工学院前沿化学研究院任国庆副教授及团队在原子尺度助剂工程强化CO₂催化加氢制甲醇研究方面取得新进展。相关研究成果以“Atomically dispersed Pd as an effective modifier of Cu-based catalysts for enhanced CO₂ hydrogenation to methanol”为题，发表在国际化工领域顶级期刊《美国化学工程师协会期刊》（AIChE Journal）上。山东大学博士研究生杨长江为论文第一作者，任国庆副教授为论文通讯作者，山东大学为该论文的唯一通讯单位。

二氧化碳催化加氢制甲醇是实现碳资源循环利用与可持续碳闭环的关键路径之一，对于缓解温室效应及化石能源危机具有重要战略意义。Cu基催化剂被广泛用于该反应，但其在低温下本征氢解离动力学迟缓，甲醇时空产率进一步提升存在瓶颈。引入Pd助剂虽可显著促进H₂活化，但传统Pd物种易触发逆水煤气变换（reverse water-gas shift, RWGS）等副反应路径，导致甲醇选择性显著下降。如何在“促H₂解离”与“抑副反应”之间实现平衡，是该领域长期悬而未决的核心挑战。现有研究对Pd分散状态（原子级分散 vs. 团聚态）所引发的催化行为差异缺乏系统、深入的认知。

本研究选用共价三嗪框架材料（CTF）为载体，负载Cu-ZnO活性组分构建CZC基体，随后引入Pd，制备得到一系列Pd存在形式可在原子级分散与团聚态之间调控的xPd/CZC催化剂（图1，其中x代表Pd的理论负载量）。性能测试表明，最优催化剂2.5Pd/CZC在240 °C、5 MPa反应条件下，甲醇时空产率高达1217 mg_MeOH·g_(Cu+Pd)^-1·h^-1，甲醇选择性达80%，较原始Cu催化剂性能提升1.86倍。尤为关键的是，对比实验显示，原子级分散的Pd物种能够在显著促进H₂解离的同时保持高的甲醇选择性，而团聚态Pd则强烈驱动CO等副产物的生成，导致甲醇选择性大幅下降。这一结果表明，Pd的分散状态是从根本上决定Pd-Cu相互作用行为与催化性能的关键参数。机理研究进一步揭示，原子级分散的Pd可在H₂解离速率与H表面结合亲和力之间取得良好平衡：一方面提供充足的活性H物种以参与甲醇合成关键中间体的氢化步骤，另一方面避免因H*过度吸附所诱发的副反应通道。该工作建立了从原子尺度助剂工程到宏观催化性能之间的清晰构效关联，为CO₂加氢制甲醇催化剂的理性设计提供了重要参考。

图1 xPd/CZC催化剂结构

近年来，任国庆副教授及团队聚焦CO₂催化转化开展系列研究，相关成果先后发表在Nature Communications（Nat. Commun. 2025, 16, 7876）、Angewandte Chemie International Edition（Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e361148）、AIChE Journal（AIChE J. 2026, e70664）、ACS Catalysis（ACS Catal. 2023, 13, 3915; ACS Catal. 2022, 12, 14113）等国际权威期刊。

上述研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、泰山学者项目、山东省自然科学基金以及山东大学青年学者未来计划等项目资助。

全文链接：https://aiche.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aic.70664