近日，2021级硕士研究生乐毅华同学在基于多层ZIFs衍生的Co₃O₄/ZnO纳米催化剂催化应用于CO₂加氢制C1产物领域取得新进展，相关研究成果以“Fabrication of multi-layered Co₃O₄/ZnO nanocatalysts for spectroscopic visualization: Effect of spatial positions on CO₂ hydrogenation performance”为题在线发表于《Fuel》期刊（中科院分区一区，IF=6.609）。2018级硕士研究生黄忠亮同学（已毕业，厦大读博）是该论文的共同第一作者。

利用CO₂并将其转化为增值燃料，是解决由大量人为排放CO₂引起的全球变暖问题的一种有前景的方法。其中，CO₂加氢制C1产品（如CO、CH₄、CH₃OH）引起了广泛的研究。这是因为H₂可以从可再生能源中可持续地获得，从而实现在缓解能源短缺的同时减少CO₂排放的双赢。然而，对于CO₂加氢制CH₄的反应，其反应机制仍存在争议。催化剂上不同的活性位点表面会反应形成不同的碳质中间体，了解活性位点的空间位置/界面结构与其催化活性之间的关系是催化剂设计和反应机理研究的关键。因此，确定活性位点的空间分布和制造具有明确结构的纳米催化剂至关重要。

金属有机骨架材料（MOF）是一种具有高孔隙率、易表面功能化、化学成分多样化和高化学稳定性等特点的微孔高分子材料。MOF可作为制备各种金属氧化物催化剂的理想前驱体模板，通过煅烧处理后既能保持MOF的原始形状和结构，还可以限制活性组分聚集。基于此，本文以两种具有代表性的同结构MOF（即ZIF-67和ZIF-8）为牺牲模板，成功制备了核壳结构可调、空间位置可控的多层Co₃O₄/ZnO催化剂。随后采用一系列表征技术研究了不同空间位置的Co₃O₄/ZnO复合材料的形貌和结构，并研究了多层催化剂对CO₂加氢反应的催化性能。

实验表明，所制备的核壳结构的Co₃O₄/ZnO纳米催化剂由于其独特的多层结构、界面结构和协同效应，其活性与单一金属（Co₃O₄和ZnO）相比显著增强，多层Co₃O₄/ZnO复合催化剂表现出更高的CO₂转化率。在300^oC、1 bar条件下，ZnO@Co₃O₄上的CO₂转化率远高于Co₃O₄@ZnO（25% vs 0.82%），说明催化剂的空间位置对催化性能有很大的影响。此外，ZnO@Co₃O₄@ZnO催化剂的CO₂转化率优于ZnO@Co₃O₄催化剂(35% vs 25%)，表明催化剂的层数和界面面积对催化性能有显著影响。原位漫反射傅里叶变换红外光谱（DRIFTS）分析表明，Co₃O₄/ZnO界面是CO₂加氢反应的活性位点，促进CO₂加氢反应中间产物（如HCOO^*和CH3O^*）的生成，进而促进C1产物（如CH₄）的转化，而纯ZnO不能活化CO₂。同时，核壳结构的Co₃O₄/ZnO催化剂对HCOO^*的吸附容量为ZnO@Co₃O₄@ZnO ＞ ZnO@ Co₃O₄ ＞ Co₃O₄@ZnO，放大了界面区域和空间位置在催化剂设计中的重要性。因此，本研究开发了一种基于多层ZIF衍生的Co₃O₄/ZnO纳米催化剂的空间位置调整的方法，用于研究原位DRIFTS在CO₂加氢过程中界面位点的可视化效果，为提高CO₂加氢的催化效率提供了新的见解。

该研究工作得到了国家自然科学基金（Nos. 21908073，U21A20324）、福建省自然科学基金（Nos. 2019 J01074，2021J06026）的资助。我们也感谢华侨大学分析测试中心提供部分表征。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.124042