生物行移动版

从二氧化碳（CO₂）与氢气（H₂）制备甲醇，一直是绿色化学与可持续燃料领域的热点。然而，传统催化过程能耗高、效率低。如今，苏黎世联邦理工学院的研究团队开发出一种突破性单原子催化剂，将每个铟（In）原子作为独立活性位点，大幅降低了反应所需能量，并使催化剂的作用机制更易解析。这一成果有望加速清洁燃料与可持续化学品的工业化进程。

该研究于2026年3月发表于《自然-纳米技术》期刊，由ETH催化工程教授Javier Pérez-Ramírez团队完成。

从“粒子”到“单原子”：催化剂设计的飞跃

传统催化剂通常使用金属纳米颗粒，其中含有数百甚至数千个原子，但真正参与反应的往往只有表面的少数原子，大量内部原子被“浪费”。单原子催化剂则将金属原子以孤立的单个原子形式锚定在载体表面，使每一个原子都成为活性位点，极大提高了金属利用效率，也为使用稀有贵金属提供了可能。

铟单原子+氧化铪载体：高效、稳定

研究团队将铟原子精准地锚定在氧化铪（HfO₂）表面，开发出多种合成方法，其中一种关键工艺是火焰喷雾热解：将前驱体在2000-3000°C的火焰中燃烧后迅速冷却，使铟原子牢固嵌入载体表面。

与传统铟纳米颗粒催化剂相比，该单原子体系在将CO₂加氢制甲醇的反应中表现出更低的活化能、更高的选择性，且能承受高达300°C、50倍大气压的苛刻反应条件，显示出优异的工业应用潜力。

为什么单原子催化剂更“清晰”？

传统纳米颗粒催化剂的表征信号常被颗粒内部原子干扰，难以解析真实表面反应。而单原子催化剂中所有原子均暴露于表面，使得光谱、成像等分析手段能够更直接地观测反应中间体与活性位点，为理解反应机理、优化催化剂提供了前所未有的窗口。

甲醇：化学工业的“瑞士军刀”

甲醇不仅是重要的燃料，更是合成塑料、材料、化学品的基础原料（被论文作者称为化学工业的“瑞士军刀”）。如果生产过程中使用的氢气和能量均来自可再生能源，那么整个甲醇制造链可实现碳中和，并将原本要排放的CO₂转化为有价值的原料。

从实验室到工业

该团队自2010年起便致力于CO₂制甲醇催化剂的开发，并与工业界保持紧密合作。论文通讯作者Javier Pérez-Ramírez指出，这一突破得益于瑞士研究界的跨学科协作。目前相关技术已申请多项专利，正为进一步放大与产业化铺平道路。

核心要点

• 单原子设计：铟原子独立锚定于氧化铪载体，每个原子均为活性位点
• 高效节能：显著降低CO₂加氢制甲醇的反应能垒，提高选择性
• 稳定性优异：耐受300°C、50 atm的工业反应条件
• 机理明晰：简化催化表征，有助于理性设计下一代催化剂
• 可持续路径：结合绿氢与可再生电力，实现CO₂的资源化利用与碳中和燃料生产

文献来源

Journal Reference:
Yung-Tai Chiang, Milica Ritopecki, Patrik O. Willi, Katja Raue, Jordi Morales-Vidal, Tangsheng Zou, Mikhail Agrachev, Henrik Eliasson, Jianyang Wang, Rolf Erni, Wendelin J. Stark, Gunnar Jeschke, Robert N. Grass, Núria López, Sharon Mitchell, Javier Pérez-Ramírez. Single atoms of indium on hafnia enable superior CO₂-based methanol synthesis. Nature Nanotechnology, 2026; DOI: 10.1038/s41565-026-02135-y