Ga掺杂Ni/In2 O3 催化剂低温高效催化CO2 加氢制甲醇的机制研究

　　为解决CO2 减排需求与低温高效转化难题，研究人员通过Ga掺杂Ni/In2 O3 催化剂，在180°C下实现CO2 转化率3.52%、甲醇选择性81.91%和时空产率(STY)11.88 g/kg/h，揭示了Ga抑制In3 Ni2 合金形成、促进H2 溢流的机制，为低温CO2 资源化提供新策略。

　　

在全球碳中和背景下，CO₂
加氢制甲醇被视为兼具环境与能源价值的战略路径。然而，传统Cu/ZnO/Al₂
O₃
催化剂需高温（220-350°C）运行，伴随大量CO副产物；In₂
O₃
基催化剂虽具有高甲醇选择性，但低温下易因过度还原失活，且H₂
活化能力不足。更棘手的是，助剂Ni的引入会形成抑制活性的In₃
Ni₂
合金。如何突破低温活性与稳定性瓶颈，成为该领域的关键科学问题。

宁夏大学赵天胜团队创新性地将Ga掺杂至Ni/In₂
O₃
催化剂，在180°C、3 MPa条件下实现CO₂
转化率较未掺杂样品提升86%（3.52% vs 1.89%），甲醇STY翻倍（11.88 vs 6.00 g/kg/h）。研究通过溶胶-凝胶法调控Ga含量（3-9 wt%），结合H₂
-TPR（程序升温还原）、原位XPS（X射线光电子能谱）和DRIFTS（漫反射红外傅里叶变换光谱）等技术，揭示了Ga₂
O₃
与In₂
O₃
的强相互作用可稳定表面结构，同时削弱Ni-In键合，抑制合金形成。

催化剂合成与表征
通过XRD（X射线衍射）证实Ga进入In₂
O₃
晶格引起衍射峰位移（2θ增加），而Ni/In₂
O₃
在反应后出现In₃
Ni₂
合金峰，Ga掺杂样品则无此现象。BET测试显示Ga掺杂使比表面积从45增至68 m²
/g，提供更多活性位点。

反应机制解析
H₂
-TPR显示NiGa(5)/In₂
O₃
的NiO还原峰温度降低40°C，表明Ga促进H₂
活化。原位DRIFTS捕获到关键中间体CO₃
^2?
和HCOO的快速生成，证实Ga加速CO₂
活化-氢化路径。值得注意的是，表面氧空位(O_v
)浓度并非活性决定因素，而中等强度碱性位点（通过CO₂
-TPD测定）与性能呈正相关。

结论与意义
该研究首次阐明Ga在低温CO₂
加氢中的三重作用：①电子转移（Ni/In→Ga）稳定In₂
O₃
晶格；②抑制In₃
Ni₂
合金形成；③优化表面碱性位点促进CO₂
吸附。相较于传统高温工艺，该催化剂在180°C下实现11.88 g/kg/h的甲醇STY，为可再生能源驱动的低温CO₂
转化提供了兼具活性与稳定性的解决方案，相关成果发表于《Fuel》。