国际社会广泛关注CO₂减排。利用绿氢将CO₂转化为甲醇和低碳烯烃，既可实现CO₂资源化，又可减排CO₂，具有重要战略意义。2016年开始，郭利民教授小组一直致力于热催化CO₂加氢研究，包括催化剂研制、性能评价、加氢反应机理研究及应用示范等，取得了一些进展和积累。近年来小组在CO₂加氢方向的研究进展如下：

² Re负载型模型催化剂及CO₂加氢反应机理研究

热催化CO₂加氢反应中催化剂与催化性能之间的构效关系一直是学界研究的热点和难点之一。小组开展了Re负载型模型催化剂的系列研究，探究了多种结构敏感型催化剂在CO₂加氢反应中的构效关系和反应机理。如：利用原位漫反射红外傅里叶变换光谱和程序升温表面反应技术来识别和表征CeO₂负载Re催化剂的形态效应，通过控制CeO₂晶形可以调整Re和CeO₂ 之间的电子金属-载体相互作用进而优化催化性能（Catalysis Science & Technology, 2022, 12, 1159）；研究了Re/TiO₂催化剂催化的CO₂甲烷化反应，制备了一系列特定尺寸的TiO₂负载Re催化剂，通过系统的测试和表征，证明了活性位点和反应机理与TiO₂尺寸效应密切相关（ACS Catalysis, 2023, 13, 10364）；最近，课题组发现了控制Re纳米颗粒尺寸和结构可以提高CO₂甲烷化反应的活性和效率，研究发现Re纳米颗粒的低配位边缘位点是CO₂解离成CO并随后氢化生成甲烷的活性位点，其大小影响了活性边缘位点的分布，并影响了CO中间体的反应性和稳定性，这是CO₂甲烷化反应的速率决定步骤（Journal of Catalysis, 2024, 432, 115464）。

图. Re/TiO₂催化剂上CO₂加氢的尺寸效应示意图（Journal of Catalysis, 2024, 432, 115464；ACS Catalysis, 2023, 13, 10364）

² Co-In催化剂体系构建及其催化CO₂加氢制甲醇性能研究

CO₂加氢制甲醇用高温催化剂由于在双功能催化剂中的潜力应用而备受学界关注。小组对Co-In体系的高温制甲醇催化剂开展了系列研究。如：探究了CO₂加氢在Co₃O₄和In/Co摩尔比的In_xCo_1-xO_y催化剂上明显的产物选择性转变，发现在还原性气氛下，In_xCo_1-xO_y发生重构并生成了表面富In₂O₃的核壳状结构，并进一步详细研究并阐述了反应路径和可能的反应机理（Chinese Journal of Catalysis, 2022, 43, 862-876）；构建了新型Co₃InC_0.75-In₂O₃复合催化剂，在300 ^oC，5 MPa条件下达到0.62 g_MeOHg_cat^-1h^-1甲醇产率，通过动力学及表面研究发现了两种组分间的电子转移、CO₂和CO在催化剂表面吸附能力的增强，证明了Co₃InC_0.75和In₂O₃之间的协同作用是甲醇产率得以提升的关键（Applied Catalysis A: General, 2023, 665, 119374）。

图. Co₃InC_0.75-In₂O₃催化剂用于CO₂加氢示意图（Applied Catalysis A: General, 2023, 665, 119374）

以上研究获得国家自然科学基金委面上项目（22378152、21878116）、国家重点研发计划政府间科技创新合作重点专项（2017YFE0127400）、湖北省自然科学基金-杰出青年人才（2019CFA070）、科技部外国专家局高端外国专家引智（G2022154025L、G2021154004L）、国家留学基金委创新型人才国际合作培养（CXXM20220042）等项目及国内外合作伙伴支持。面向国家“双碳”重大战略及实际应用需求，小组将继续在基于CO₂加氢制甲醇和低碳烯烃方向系统开展应用基础研究和创新型人才培养。