ACS AMI 亮点速递 | 多级碳纳米笼“电子缓冲”效应助力氧化铟催化二氧化碳加氢制甲醇- 大数跨境

ACS AMI 亮点速递 | 多级碳纳米笼“电子缓冲”效应助力氧化铟催化二氧化碳加氢制甲醇

X-MOL资讯

2025-06-19

导读：苏州大学何乐教授课题组与南京大学胡征课题组联合发表了一项基于多级碳纳米笼“电子缓冲”效应助力In2O3催化CO2加氢制甲醇的研究工作。

英文原题：Hierarchical Carbon Nanocage-Enabled Electron Buffering to Indium Oxide for Efficient CO₂ Hydrogenation to Methanol

通讯作者：何乐（苏州大学）；胡征（南京大学）；冯凯（苏州大学）；李超然（苏州大学）

作者：Zidi Wang（王紫荻），Xudong Dong（董旭东），Zixuan Sun（孙子轩），Yuxuan Zhou（周宇轩），Shuang Liu（刘爽），Shuairen Qian（钱帅任），Zhijie Chen（陈志杰），Xingda An（安兴达）Kaiqi Nie（聂开琪），Binhang Yan（颜彬航），Zhijie Zhu（朱智杰），Xiaohong Zhang（张晓宏）

背景介绍

将二氧化碳（CO₂）通过催化的方式加氢转化为甲醇（CO₂+3H₂→CH₃OH+H₂O）是应对全球能源及气候问题的关键策略之一。氧化铟（In₂O₃）作为实现该过程的有效催化剂之一受到了研究者们的广泛关注，但其活性及稳定性仍有待提升。研究表明，In₂O₃催化剂中丰富的氧空位（O_v）是催化CO₂加氢制甲醇的主要活性位点，增加O_v浓度以提高活性位点数量是提升其催化性能最为直接有效的策略。然而，随着In₂O₃中O_v浓度的升高，In原子局部电荷密度会得到提升从而弱化In-O键能，使得富O_v的In₂O_3-x极易在CO₂加氢这一还原性氛围下被过度还原为金属In，导致催化剂失活。因此，如何在提升In₂O₃基催化剂O_v数量的同时抑制金属In的析出，即缓解催化活性与稳定性之间的矛盾关系，是目前该领域的瓶颈挑战之一。

文章亮点

1．近日，苏州大学何乐教授课题组与南京大学胡征课题组联合在ACS Applied Materials & Interfaces发表了一项基于多级碳纳米笼“电子缓冲”效应助力In₂O₃催化CO₂加氢制甲醇的研究工作。研究团队采用共沉淀法将In₂O₃活性组分负载于多级碳纳米笼（In₂O₃/hCNCs）载体上，显著提升了CO₂加氢制甲醇的催化性能。与In₂O₃/SiO₂催化剂相比，In₂O₃/hCNCs催化剂的甲醇时空产率（STY）提升了近6倍。此外，通过对hCNCs进行N原子掺杂修饰（hNCNCs），所获In₂O₃基（In₂O₃/hNCNCs）催化剂的甲醇STY还可以得到进一步的提升。值得注意的是，In₂O₃/hCNCs在性能得到提升的同时，依然保持了优异的催化稳定性，在50 小时的稳定性测试中未见明显的催化剂失活现象。

2. 研究团队发现，hCNCs载体在同时提升In₂O₃催化活性与稳定性的过程中起到了“电子缓冲剂”的作用。在催化剂制备及反应初期阶段，hCNCs可以向In₂O₃转移电子，削弱In-O键能，促进丰富O_v的形成，即有效提升活性位点数量。而当O_v达到一定数量后，In₂O_3-x中In原子的局部电荷浓度会得到提升，加剧其过度还原为金属In的风险。此时，hCNCs可以从富O_v的In₂O_3-x中获得电子，抑制In-O因持续断裂导致的金属In析出，从而提升了催化稳定性。

图1. In₂O₃/SiO₂、In₂O₃/hCNCs和 In₂O₃/hNCNCs 催化剂在（a）320 ℃及（b）不同反应温度下的CO₂加氢制甲醇性能；（c）In₂O₃/SiO₂、In₂O₃/hCNCs和In₂O₃/hNCNCs催化剂的稳定性测试。

图2. （a）320 ℃ CO₂加氢反应后，In₂O₃/SiO₂、In₂O₃/hCNCs和 In₂O₃/hNCNCs催化剂的XRD图谱；（b）反应后催化剂中In₂O₃与金属In的物相占比；不同温度CO₂加氢反应后（c）In₂O₃/hCNCs和（d）In₂O₃/hNCNCs催化剂的O 1s XPS谱图。

图3. 不同温度CO₂加氢反应后（a）In₂O₃/hCNCs 和（b）In₂O₃/hNCNCs 催化剂的In 3d XPS谱图及其（c）In 3d结合能统计。（d）不同温度CO₂加氢反应后In₂O₃/hCNCs和（e）In₂O₃/hNCNCs 催化剂的C 1s XPS 谱图及其（f）C sp²结合能统计。

总结/展望

研究团队发现In₂O₃/hCNCs催化剂中hCNCs载体可以在CO₂加氢制甲醇过程中展现出独特的“电子缓冲效应”。研究指出hCNCs可以向In₂O₃提供电子促进O_v形成，提升甲醇产出性能。同时，其也可以从富O_v的In₂O_3-x中获取电子，抑制In₂O_3-x过度还原为金属In，提升催化稳定性。这一发现不仅为缓解In₂O₃基催化剂活性与稳定性的矛盾提供了有效的解决策略，也为hCNCs在多种氧化还原催化反应中的应用奠定了理论基础。