Nature子刊：毫不含糊！黄伟新/张文华/王野清楚解析活性位点

2023年10月13日下午4:47 • 顶刊解读

水煤气变换反应（Water-Gas Shift，简称WGS）主要应用在以煤、石油和天然气为原料的制氢工业和合成氨工业中，另外在合成气制醇、制烃催化过程中，低温水气变换反应通常用于甲醇重整制氢反应中大量CO的去除。一氧化碳和氢气都是会燃烧的气体，工业上把这样的混合气叫“水煤气”。探究水煤气变换反应研究进展，研究其催化剂发展状况具有重要意义。

自“活性位点”概念提出以来，识别催化剂的活性位点一直是异质催化研究的圣杯。催化剂的活性位点随反应催化而变化。Cu-ZnO-Al₂O₃催化剂是工业上用作WGS反应（CO + H₂O → CO₂ + H₂）和CO氢化成甲醇反应（CO + 2H₂ → CH₃OH）的催化剂，是一个代表性的例子。很多人为识别Cu-ZnO-Al₂O₃催化剂的活性位点做出了巨大努力。然而，由于缺乏可靠的实验证据，争议仍然存在。在基于Cu-ZnO的WGS反应催化剂中，人们争论的是，活性结构是具有独特结构的相分散或稳定于ZnO的金属铜，还是能够易于解离H₂O的Cu-ZnO界面。这也导致了密度函数理论（DFT）计算提出的Cu-ZnO催化WGS反应的不同反应机理，然而，所有这些计算都计算不出H₂形成步骤的活化能。

中科大黄伟新教授、张文华副研究员和厦门大学王野教授在Nature Communications上发表机理研究，鉴定了水煤气变换反应和CO氢化的活性位点，给出了反应机理。

通过对一系列具有明确Cu结构的ZnO/Cu纳米晶逆催化剂进行全面的实验（如漫反射傅里叶变换红外光谱表征）和理论计算研究，作者报告ZnO-Cu催化剂在典型反应条件下的WGS和CO加氢反应过程中，分别发生Cu结构依赖性和反应敏感性的原位重构，形成了Cu_Cu(100)-羟基化ZnO和Cu_Cu(611)Zn合金的活性位点。考虑到已鉴定的活性位点，制备尽可能多的Cu{100}晶面和Cu{611}步进位点的Cu-ZnO催化剂分别是开发高效的水煤气变换Cu-ZnO催化剂和CO加氢反应Cu-ZnO催化剂的有效策略。这些结果为WGS反应和CO加氢反应的Cu-ZnO催化剂的活性位点提供了见解，揭示了Cu的结构效应，并为优化Cu-ZnO-Al₂O₃催化剂的结构提供了可行的指南。