科学家用新型单原子催化剂将二氧化碳变废为宝，制成燃料

为让化学反应更轻松、更高效，化学家常使用催化剂——即“反应助手”，它们能降低反应所需的能量。目前最有效的催化剂多含金属，其中不少是稀有且昂贵的。苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究团队取得重要突破：他们设计出一种新型催化剂，可显著降低利用二氧化碳（CO₂）和氢气（H₂）制取甲醇（一种常见酒精）所需的能量。关键在于，该催化剂采用“单原子结构”——每个铟（In）金属原子都是孤立、分散并牢固锚定在新开发的氧化铪载体表面，各自独立成为活性反应位点。这与传统催化剂截然不同：后者通常将金属聚集成含数百甚至数千个原子的纳米颗粒，其中大量内部原子并不参与反应，造成浪费。单原子设计不仅极大提升了铟的利用效率（近乎100%），还使原本昂贵稀有的金属更易用于工业规模。研究还发现，孤立的铟原子在氧化铪上催化CO₂加氢制甲醇的效率，远高于同样含铟但以纳米颗粒形式存在的旧催化剂。为实现原子级精准负载，团队联合其他研究组开发了多种新合成方法，其中一种是在2000–3000°C火焰中燃烧原料后急速冷却，使铟原子稳定附着于载体表面而不团聚。实验证明，该催化剂极其耐用，能在高达300°C温度和50倍大气压的苛刻条件下长期稳定运行——而这正是CO₂制甲醇工业过程的典型工况。此外，单原子结构极大简化了反应机理研究：传统纳米催化剂因内部“沉默原子”干扰多，表征信号复杂难解；而单原子催化剂中所有金属原子均暴露在表面并参与反应，科学家得以更清晰、准确地观测和理解每一步反应过程。项目负责人、催化工程教授哈维尔·佩雷斯-拉米雷斯自2010年起持续攻关CO₂制甲醇技术，已与产业界深度合作并拥有多项专利。他强调，这一成果离不开瑞士跨学科科研力量的紧密协作——从催化剂设计、精密合成到机理解析，各领域专长缺一不可。