近日，中国科学技术大学曾杰教授课题组研究了钴（Co）基催化剂在CO₂加氢反应中的活性物相。他们将N原子引入到Co催化剂中构筑出Co₄N催化剂，并通过原位机理研究发现，Co₄NH_x是该催化过程中真正的活性物相。该成果以“Incorporating nitrogen atoms into cobalt nanosheets as a strategy to boost catalytic activity toward CO₂ hydrogenation”为题，10月9日在线发表在《自然·能源》杂志上（Nature Energy, 2017, DOI: 10.1038/s41560-017-0015-x）。 

Co₄N催化剂CO₂加氢反应示意图 

　　CO₂加氢反应一方面可以利用CO₂合成化工原料，缓解CO₂的排放压力，实现碳能源的循环利用；另一方面可以与新能源电解制氢、氯碱工业衔接，实现氢资源的储存。CO₂加氢转化工艺中存在能耗过大的问题。由于CO₂的化学惰性，此反应需要在高温高压条件下实现。在过去的几十年里，人们开发出一系列不同的策略以期提高非贵金属催化剂对CO₂加氢反应的活性。迄今为止，对非贵金属催化剂在CO₂加氢反应中的活性物相研究仍然非常初步。 

　　研究人员将N原子引入到Co催化剂中形成Co₄N催化剂。在CO₂加氢催化中，Co₄N催化剂在32 atm和150 ℃的条件下，转换频率（TOF）为同等条件下Co催化剂的64倍。此外，Co₄N催化剂的表观活化能是43.3 kJ mol^-1，只有Co催化剂（91.4 kJ mol^-1）的一半左右。进一步的原位机理研究表明，在H₂氛围下，Co₄N催化剂上的N原子会吸附结合H原子从而形成Co₄NH_x这样一种特殊的物相。Co₄NH_x中的氨基H原子直接加到CO₂分子上形成HCOO*物种作为中间产物。此外，反应过程中吸附的H₂O分子也通过氢键相互作用促进氨基H的活化和解离，从而加速加氢过程。该工作通过引入N原子，为优化非贵金属催化剂对CO₂加氢反应的活性提供了一种简单有效的方式，更进一步加深了对钴基催化剂在CO₂加氢反应中活性物相的理解，为今后寻找更为廉价、高效的CO₂加氢催化剂提供了新思路。 

　　（来源：中国科学技术大学）