近日，我院赵祯霞教授、赵钟兴教授团队等在Nature子刊Nature Communications发表题为“Molecular fence Cu-based catalyst for CO₂ hydrogenation to CO with high activity and durability”（分子围栏型铜基催化剂实现二氧化碳高活性高稳定加氢制一氧化碳）的研究论文。

为了应对温室效应以及化石资源的日益匮乏，通过碳捕集与利用（CCU）技术将CO₂通过转化为高附加值化学品，对于缓解温室效应以及维持可持续的环境与能源供应至关重要。其中，逆水煤气变换反应（RWGS）可在H₂环境下将CO₂转化为合成气(CO和H₂混合物)，后者是大规模生产醇、酯和液体燃料的关键化学品。对于该反应，铜（Cu）基催化剂因高加氢活性和高CO选择性成为RWGS极具前景的非贵金属候选催化剂。由于RWGS的吸热反应特性与下游费托工业的特定H_2/CO比需求，工业上需要高温来维持高CO₂转化率以满足生产。然而，反应过程中的高温会导致铜纳米颗粒发生团聚，同时高浓度CO气氛会诱导Cu原子形成挥发性Cu(CO)_n物种而发生Ostwald熟化，最终导致催化剂烧结失活。鉴于此，赵祯霞教授和赵钟兴教授团队提出“反应位空间分离”策略，将Cu簇限域封装在mMOR(改性丝光沸石)中，并构筑了空间分离的CO₂、H₂活化位点，以实现高效且稳定的CO₂加氢制CO。

团队通过微乳液调控与快速转晶两步法，成功将Cu物种限域到mMOR分子筛中制备出Cu@mMOR催化剂。由于mMOR的晶格挤压，限域Cu物种被分割成更小的Cu-O簇从而拥有高密度的Cu空位，并与分子筛形成了大量强Cu-O相互作用。这些Cu簇促进了H₂的吸附、异裂和溢流。同时，mMOR充当分子围栏将CO₂与Cu簇实现物理隔离，并在孔道内对CO₂进行活化，从而实现反应位的空间分离。这有效防止了产物CO诱导的Ostwald熟化。最终，H⁺/H^-酸碱对通过水辅助溢流将这些分离的位点联系起来，触发并维持CO₂的连续加氢转化。因此，在600°C高温条件下，Cu@mMOR催化剂的时空收率为3290 mmolCO g_cat^-1 h^-1，并维持788小时稳定不失活。