近日，化工学院和化学工程与工艺专业2022级本科生张王星以第一作者在期刊《Nano Research》（影响因子9.6）上发表题目为“Stabilizing Co nanoparticles for CO2 hydrogenation by latticematching confinement in ZnO interlayers”的研究论文。武汉纺织大学为论文第一署名单位，化工学院朱君江教授和吕帅副教授为论文通讯作者。链接： https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907282。
图1 文章的图形摘要
纳米限域催化剂由于其独特的结构，在各个领域展现出了极大的应用潜力。特殊的限域空间能够提高分子间的反应速率以及对特定产物的选择性。此外，外围的刚性壁能够有效防止纳米颗粒的迁移与团聚，提高催化剂的稳定性。限域纳米催化剂结构的精准设计是进一步提升限域催化剂性能的关键。
传统纳米限域催化剂的制备首先需要制备出具有特定孔道的载体，然后通过浸渍法等方法将前驱体注入孔道内部，最后通过焙烧过程使纳米颗粒限域在孔道内部。这种常规的方法需要精细调控载体孔道内壁与孔道外壁的表面性质，使纳米前驱体定向落位。不仅难度较大，而且高温的焙烧过程还可能使纳米颗粒迁移至孔道外部，难以实现结构的精确调控。开发高效可行的限域催化剂制备方法具有重要理论与实际意义。
本文提出了一种晶格匹配策略，通过将钴颗粒限域于氧化锌层间（ZnO/Co/ZnO）用于二氧化碳加氢反应。X射线衍射分析表明，氧化锌与六方纤锌矿型CoO（w-CoO）之间的晶格失配度仅为0.18%，这一特性使得w-CoO能够在ZnO表面实现外延生长。同样的，ZnO也能在w-CoO表面外延生长。这种极低的晶格失配为w-CoO在ZnO层间的成功限域提供了基础。这种方法还可适配于不同形貌的ZnO载体，从而实现对限域催化剂微观结构的优化。当钴颗粒被限域于ZnO层间时，催化剂展现出卓越的催化活性，其二氧化碳加氢反应速率达到15.8 μmolCO2·gCo·s-1。更为突出的是，该催化剂在连续运行700小时后仍未见明显失活现象。
图2. (a) ZnO与w-CoO的XRD图谱。（b）两组分晶格匹配示意图。（c）限域结构设计示意图。（d）-（i）ZnO@w-CoO-P纳米颗粒的STEM以及对应的EDX-Mapping图。（j）-（o）ZnO@w-CoO@ZnO-P纳米颗粒的STEM以及对应的EDX-Mapping图。
从图2可以看到，ZnO与w-CoO的XRD图谱几乎没有差别，通过两者的晶格常数计算得到两者的晶格匹配度高达99.8%。非常有利于w-CoO在ZnO外围外延生长。图2（d）-（i）是ZnO@w-CoO-P(简写为Z@C-P)纳米颗粒的STEM以及对应的EDX-mapping图，可以看到纳米颗粒呈六方金字塔的形貌，ZnO外围被Co物种包裹。利用ZnO@w-CoO-P为异核,在外围生长ZnO可以得到ZnO@w-CoO@ZnO-P(简写为Z@C@Z-P)材料。可以看到，Z@C@Z-P材料中w-CoO被限域在ZnO层内部，形貌几乎没有变化。
图3 催化剂的CO2加氢性能。（a）所制备催化剂的CO2加氢活性。（b）所制备催化剂的产物选择性。（c）所制备催化剂的稳定性。
通过催化剂的CO2加氢性能对比可以看出，相对于浸渍法制备的Co3O4/ZnO催化剂以及没有限域结构的Z@C-P催化剂，Z@C@Z-P限域催化剂展现出了超高的催化稳定性，在700小时内并未出现失活现象。本研究成果为开发兼具高活性和长期稳定性的限域型催化剂提供了一种创新性策略。
