Ученые решили десятилетнюю проблему с CO₂ и втрое увеличили производство топлива

Стратегия пространственного разделения активных центров для эффективного синтеза метанола из углекислого газа. Credit: DICP

Превращение углекислого газа (CO₂) в метанол широко рассматривается как перспективный способ переработки углеродных ресурсов. Однако ученые долгое время сталкивались с серьезной проблемой при попытке улучшить этот процесс.

При низких температурах превращение CO₂ в метанол термодинамически выгодно. Проблема в том, что в этих условиях CO₂ становится трудно активировать, что приводит к слабой каталитической активности. Повышение температуры ускоряет реакцию, но также стимулирует конкурирующий процесс, известный как реакция обратного водяного газа, который производит нежелательные побочные продукты и снижает селективность по метанолу. Этот постоянный компромисс между каталитической активностью и селективностью долгое время ограничивал прогресс в увеличении выхода метанола.

Новый дизайн катализатора преодолевает давний компромисс

В исследовании, опубликованном в журнале Chem, исследователи под руководством профессора Цзянь Суня и профессора Цзяфэна Юя из Даляньского института химической физики (DICP) Китайской академии наук (CAS) разработали новый дизайн катализатора, направленный на решение этой проблемы.

Их подход использует структуру поверхностного слоя, управляемую сильным взаимодействием металла с носителем (SMSI), для пространственного разделения активных центров внутри катализатора. Такая конструкция позволяет различным этапам реакции протекать в разных местах, повышая эффективность производства метанола из CO₂.

Путем реструктуризации поверхности катализатора и изменения того, как реагенты адсорбируются, диссоциируют и перемещаются по пути реакции, команда достигла пространственно-временного выхода 1,2 г·г_кат^-1·ч^-1 при 300 °C и 3 МПа. Эта производительность примерно в три раза выше, чем у традиционных коммерческих катализаторов Cu/Zn/Al.

Перенаправление CO₂ в метанол

Исследователи обнаружили, что их катализатор способствует адсорбции и активации CO₂ в первую очередь на центрах диоксида циркония (ZrO₂). Это направляет реакцию в сторону производства метанола по формиатному пути.

В традиционных катализаторах на основе меди активация обычно начинается с разрыва связи C=O до того, как произойдет гидрирование. Новая стратегия следует другой последовательности. Гидрирование сначала происходит на центрах ZrO₂, а разрыв связи C=O происходит позже.

По словам исследователей, это изменение механизма реакции значительно снижает образование побочного продукта — угарного газа (CO), сохраняя при этом сильную способность центров Cu эффективно диссоциировать H₂.

«Наше исследование может предложить новый путь для решения давнего компромисса между активностью и селективностью при синтезе метанола из CO₂», — заявил профессор Сунь.

Источники:

Материалы предоставлены Даляньским институтом химической физики Китайской академии наук.

Habib Zada, Jiafeng Yu, Chuanyan Fang, Jian Sun. Disentangling the activity-selectivity trade-off in CO2 hydrogenation to methanol. Chem, 2026; 102942 DOI: 10.1016/j.chempr.2026.102942