反应诱导的碳氧化钼催化剂实现高效CO2转化，最新Nature Chemistry！

一、【科学背景】

在全球气候变化加剧的背景下，由于过量CO₂排放导致的环境问题，开发经济且可持续的CO₂利用技术成为科学界的迫切需求。通过逆水煤气转换反应（RWGS）将CO₂转化为CO，再通过费托合成制备高附加值液体燃料和化学品是一种重要途径。然而，现有的RWGS催化剂体系存在局限性：贵金属催化剂虽然活性高但成本过高，而过渡金属催化剂虽然成本较低但会产生甲烷副产物，增加了分离的复杂性。因此，亟需开发一种具备高活性、选择性和稳定性的催化剂。近年来，钼碳化物作为RWGS反应的催化剂得到了关注。钼碳化物即使不添加活性金属，也能通过其独特的钼和碳原子排列来激活CO₂，表现出高催化活性。然而，钼碳化物的制备通常需要耗能极高的温控氨化和碳化过程。为了克服这些挑战，本研究提出了一种基于火焰喷射裂解法的简易方法，直接合成Ir掺杂MoO₃催化剂（Ir-MoO₃），无需预碳化处理即可在600°C下用于CO₂加氢反应。此方法在反应过程中生成钼碳化物，并实现了动态平衡，有望应用于钼碳化物催化剂的工业生产以及CO₂的大规模催化转化。

二、【创新成果】

近日，大连化物所碳资源小分子与氢能利用研究组孙剑研究员和俞佳枫副研究员团队在Nature Chemistry上发表了题为“Reaction-induced unsaturated Mo oxycarbides afford highly active CO₂ conversion catalysts”的论文，本文在碳化钼催化CO₂转化利用方面取得新进展，利用火焰喷射裂解法（FSP）一步合成了亚稳态不饱和氧化钼催化剂。该方法省去了繁琐的碳化制备过程，能够解决传统的碳化钼催化剂在反应中易被氧化失活的问题。

图1 在RWGS反应中的催化性能  © 2024 Springer Nature

图2 反应诱导的不饱和Mo碳化物提供了高活性的CO₂转化催化剂  © 2024 Springer Nature

图3 反应性能和活性位点研究  © 2024 Springer Nature

图4 RWGS反应机理的DFT计算  © 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

该项研究成果为可持续CO₂转化提供了新思路，突破了传统钼碳化物催化剂高能耗合成和稳定性差的瓶颈。研究通过火焰喷雾热解法结合Ir掺杂，促成了Mo₁₇O₄₇的原位碳化，形成了具有不饱和钼氧碳化物活性位点的α-MoC晶体表面，极大提高了催化效率。CO₂中的C原子通过碳循环机制插入钼原子间的空位，完成CO生成并恢复催化活性。该项成果为高温条件下的CO₂转化开辟了新路径，不仅提供了更高效的反应机制，还为钼基催化剂在工业应用中展现出巨大潜力。该研究有助于推动低能耗CO₂转化技术的发展，具有重要的环境和经济价值，将对可持续能源和催化科学产生深远影响。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41557-024-01628-4