中国科学院生态环境研究中心张长斌课题组在催化转化CO2研究方面取得重要进展，相关成果以“Sulfate residuals on Ru catalysts switch CO2 reduction from methanation to reverse water-gas shift reaction”为题，在线发表于Nature Communications （https://www.nature.com/articles/s41467-024-53909-8）。
在“碳达峰、碳中和”的政策背景下，CO2的高效催化转化近年来成为催化领域的重要研究方向。在常压条件下，CO2催化加氢反应主要发生甲烷化反应和逆水煤气变换反应（RWGS），分别生成CH4和CO，这两种产物在能源和工业领域广泛应用。然而，在反应温度低于500 oC时，CO2的甲烷化反应在热力学上比RWGS反应更为优势，如何在此条件下实现向CO的高选择性转化仍然是一个技术上的重大挑战。
Ru基催化剂是CO2催化加氢反应的一类重要催化剂，研究者们前期发现Ru负载在不同TiO2载体时选择性存在显著的差异，通常归因于TiO2的晶型效应和金属与载体强相互作用。张长斌研究团队深入探究了不同商业来源TiO2以及不同气氛预处理对Ru/TiO2催化剂CO2催化加氢反应的影响，发现TiO2载体上残留的微量硫酸根（SO42-）是导致CO2还原选择性显著变化的关键性影响因素。研究发现，在无残留的Ru/TiO2表面主要生成甲烷，而表面有微量SO42-残留时产物主要为CO，Ru/TiO2由高效甲烷化催化剂转变成为高效的RWGS催化剂。进一步发现，CO2还原选择性发生转变与Ru/TiO2界面处的SO42-密切相关，而空气焙烧处理是诱导SO42-从TiO2载体迁移至Ru/TiO2界面的必要预处理条件。系列表征和DFT理论计算表明，Ru/TiO2界面的SO42-显著增强了H从Ru颗粒向TiO2转移，从而阻碍了CO加氢生成CH4，显著提高了CO选择性。该研究发现突显了催化剂表面微量元素在CO2催化加氢反应中的关键作用，为设计和开发高性能的多相催化剂提供了重要启示。
该论文第一作者为中国科学院生态环境研究中心助理研究员陈敏，通讯作者为加州大学河滨分校刘福东副教授和中国科学院生态环境研究中心张长斌研究员。该研究工作得到了国家自然科学基金委杰出青年基金和面上基金（22025604和22276204）的支持。
图1. 微量硫酸根（SO42-）对Ru/TiO2催化还原CO2性能的影响。
大气环境与污染控制实验室
2024年11月10日