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近日，大連化物所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室能源與環(huán)境小分子催化研究組（509組）鄧德會研究員、于良副研究員團隊在二氧化碳（CO2）催化加氫制甲酸鹽研究中取得新進(jìn)展。團隊發(fā)現(xiàn)富含邊結(jié)構(gòu)的二維硫化鉬（ER-MoS2）可以高效、高穩(wěn)定地催化CO2加氫制備甲酸鹽，并提出了一種新型的水介導(dǎo)CO2高選擇性加氫機理。
CO2加氫制備甲酸鹽是CO2資源化利用的重要途徑之一。然而，該反應(yīng)通常需要稀缺貴金屬基催化劑來達(dá)到高的反應(yīng)效率，這限制了該反應(yīng)的應(yīng)用。開發(fā)高效的非貴金屬催化劑是該反應(yīng)能夠規(guī)模化應(yīng)用的重要前提，但是，非貴金屬催化劑面臨活性低和穩(wěn)定性差的雙重挑戰(zhàn)。
鄧德會團隊長期致力于二維催化材料的表界面調(diào)控與能源小分子的催化轉(zhuǎn)化研究，在調(diào)控二硫化鉬的催化活性與選擇性上取得系列進(jìn)展（Nat. Catal.，2021；Nat. Commun.，2020；Angew. Chem. Int. Ed.，2020；Nano Energy，2020；Nano Energy，2019；Chem. Rev.，2019；Nat. Commun.，2017；Energy Environ. Sci.，2015）。
在此基礎(chǔ)上，團隊發(fā)現(xiàn)ER-MoS2可以高效催化CO2加氫到甲酸鹽。在200 ℃下生成甲酸鹽的選擇性高于99%，反應(yīng)的轉(zhuǎn)換頻率（TOF）達(dá)到780.7 h-1。實驗表征結(jié)合理論計算顯示，ER-MoS2催化CO2加氫到甲酸鹽的活性位為MoS2邊緣的硫空位，甲酸鹽的選擇性生成是通過一種新型的水介導(dǎo)CO2加氫機理：水分子優(yōu)先在邊緣硫空位解離吸附形成OH*和H*活性物種，它們作為溫和的加氫物種將CO2加氫到甲酸，余下的O*被氫氣還原從而使反應(yīng)進(jìn)入下一個催化循環(huán)。該工作報道了ER-MoS2作為一種非貴金屬基高性能CO2加氫制甲酸鹽催化劑，其揭示的水介導(dǎo)加氫反應(yīng)機理有望為MoS2基催化劑在加氫反應(yīng)中的應(yīng)用提供新思路。
上述工作以“Boosting CO2 Hydrogenation to Formate over Edge-Sulfur Vacancies of Molybdenum Disulfide”為題，于近日發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）上，并被選為熱點文章（hot paper）和內(nèi)封面文章。上述工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、遼寧省興遼英才計劃、中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項“功能納米系統(tǒng)的精準(zhǔn)構(gòu)筑原理與測量”等項目的支持。（文/圖 王子逢、于良）
