第一作者：南京大学化学化工学院博士生张哲玮，博士生姚均和博士后沈辰阳
通讯作者：南京大学 丁维平
通讯单位：南京大学
论文DOI：10.1038/s41467-025-64417-8
在传统多相催化中，固定床或流动床催化剂表面追求最大稳定性，以维持反应连续性。然而，这种“稳定”范式往往限制了活性位点潜力。南京大学丁维平教授团队创新提出动态活化催化剂（dynamic activation catalysts），在反应过程中持续生成高活性位点，使原本活性较低的Cu/Al2O3在CO2加氢中展现卓越性能。该研究发表于Nature Communications，翻开了催化调控的新篇章。
图1. 动态活化催化剂在 CO2加氢反应中的研究示意图。图片来源：Nat. Commun.
创新反应器设计：气流动能驱动催化剂表面动态活化
课题组设计专用动态活化反应器（DAR），结构简洁高效：80 mm直径316L不锈钢圆柱体，底部锥体安装0.1 mm喷嘴，距喷嘴20 mm处设不锈钢刚性靶。催化剂粉末置于喷嘴与靶间。3H2/CO2混合气以360 ml/min注入（P: 2.0 MPa, T: 300 °C）。Fluent模拟显示喷嘴出口气速~452 m/s，颗粒撞击靶速~75 m/s。反应器气体120 min内完全置换，确保连续循环。
图2. 动态活化反应器设计。图片来源：Nat. Commun.
性能突破：对比传统固定床反应器，显著激活催化潜能
用浸渍法制备40% Cu/Al2O3催化剂（记为40Cu），在DAR中表现突出：CO2转化率提升3倍，甲醇选择性从<40%升至95%，300 °C下几乎完全抑制CO形成，时空产率增6倍至660 mg·gcat-1·h-1。GHSV从9600升至21600 ml·gcat-1·h-1时，转化率3倍增长，挑战传统催化反应速率与空速无关的认知。
反应后催化剂尽管经历了弛豫恢复稳态的过程，表征仍能确认变化：XRD显示Cu峰偏移、宽化，晶格体积增大；HAADF-STEM电镜观察Cu(111)间距从0.208增至0.211 nm，颗粒从4.04 nm减至3.08 nm，同样催化剂用传统固定床反应器（FBR）测试反应活性后，颗粒长大至6.81 nm。
图3. 催化性能。图片来源：Nat. Commun.
理论洞见：MD模拟与DFT计算揭示离散聚集态机制
MD模拟捕捉碰撞快照，计算配位数下降到7.02和键长增加到2.69 Å，定义为“离散聚集态”，即晶型保留但趋于离散/非晶；反应条件下产生的碰撞能量可估算为~0.25 eV/Cu原子，足以诱导此状态，DFT计算确认能量升高~0.17 eV/atom；机制对比显示离散聚集态下的亚稳态40Cu能显著抑制CO副产物的形成，从而实现超高的甲醇选择性。
图4. 催化剂结构变化的表征。图片来源：Nat. Commun.
本研究从运动和变化的视角审视催化剂，创新构建反应中持续活化的动态催化体系，突破传统对静态与稳定表面的认知局限。不同于常见机械化学的传统做法，该方法在不引入光、电能，无机械运动部件帮助的情况下，仅凭反应气体自身动能持续不断活化催化剂，大幅提升CO2氢化性能。动态活化催化剂时刻处于变化之中，用变化的稳定取代不变的稳定，诠释了新型稳定性机制，拓展催化调控边界，催生前沿反应发现。
丁维平教授，在南京大学化学系获得学士和博士学位，随后在南京大学物理系、美国加州大学伯克利分校化工系、美国哈佛大学化学系访问学习与从事研究工作。现任南京大学化学化工学院教授，介观化学教育部重点实验室主任。近年来，丁维平教授课题组提倡介观催化研究，学习自然界的酶催化作用，构造活性中心与其外围组织合为一体的催化反应中心，继而将各种反应中心通过外围组织向更高尺度进行三维组装，从小到大构成宏观尺度下各部分互相配合的催化剂或催化反应构件，实现单一的高性能催化反应。在选择加氢、选择氧化、酸催化、燃料电池催化剂以及电催化合成等领域取得丰硕成果，并向应用转化，追求化学化工制造以及新能源领域实用化创新技术。
Zhewei Zhang, Jun Yao, Chenyang Shen, Fengfeng Li, Changshun Deng, Taotao Zhao, Xuefeng Guo, Yan Zhu, Xiangke Guo, Nianhua Xue, Luming Peng, Weiping Ding, Dynamic activation catalysts for CO2 hydrogenation, Nature Communications 2025, DOI: 10.1038/s41467-025-64417-8
https://www.nature.com/articles/s41467-025-64417-8
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