茨城大學研究生院理工學研究科的多田昌平助教和城冢達也助教、高輝度光科學研究中心（JASRI）的主任研究員本間徹生及東京大學研究生院工學系研究科的伊與木健太講師等人組成的研究團隊，調查了鋅（Zn）含量對利用氧化鋯鋅觸媒將二氧化碳（CO2）高效轉化爲甲醇的氫化反應的影響，並透過實驗和計算發現了活性位結構。研究表明，當鋅（Zn）含量較低時，會在觸媒表面形成Zn-O-Zr位點，顯示出獨特性催化活性。另外，還成功地透過晶體結構的穩定性解釋了在ZrO2中過量添加Zn時，Zn不均勻地分佈在ZrO2中的原理。
圖：鋅含量與觸媒結構示意圖（供圖：茨城大學）
爲實施碳中和，需要開發有效利用二氧化碳的技術。其中，利用氫和二氧化碳透過氫化反應獲得的甲醇還可以作爲碳化氫等的原料，因此特別有用。作爲甲醇合成觸媒，近年受到關注的材料有將鋅固溶於氧化鋯中的觸媒（氧化鋯鋅觸媒），但尚未完全明確氧化鋯鋅觸媒中鋅含量的影響和結構。
研究團隊利用固定床流動反應器評估了氧化鋯鋅的催化性能。由此發現，增加氧化鋯鋅中的Zn含量時，Zn含量x爲0.25時甲醇的空時產率最高。
研究團隊利用DFT計算調查Zn含量與觸媒結構的關係發現，Zn含量較低時，Zn種很容易暴露在氧化鋯鋅表面，形成Zn-O-Zr位點。另外，利用電子顯微鏡和表面分析裝置在原子水平分析氧化鋯鋅的結構發現，含Zn種的團簇區域不均勻地分佈在氧化鋯（ZrO2）表面附近。而Zn含量較多時，除了含Zn種的團簇外，還形成了ZnO奈米顆粒。綜合催化性能評估試驗和結構分析結果發現，ZnO奈米顆粒不參與甲醇合成反應，Zn-O-Zr位點的數量決定甲醇合成性能。
此外還透過DFT計算應答，Zn含量增加時，對反應物氫（H2）的吸附強化，而同時對二氧化碳的吸附力減弱。這個結果表明，觸媒中的Zn位點在氫吸附方面，而鋯（Zr）位點在二氧化碳活化方面發揮着重要作用。
伊與木講師表示：「此次結合理論計算和使用同步輻射設施的測量，明確了隨着鋅含量而變化的結構和反應機制。今後將透過與甲醇轉化觸媒的復合化爲觸媒設計構建新系統。」
【詞注】
■空時產率：反應物質透過觸媒層時，單位觸媒在單位時間内生成的目標產物的量。
■DFT計算：根據密度泛函理論透過電腦模擬電子狀態。
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：ACS Catalysis
論文：Active sites on ZnxZr1−xO2−x solid solution catalysts for CO2-to-methanol hydrogenation
DOI：10.1021/acscatal.2c01996
