中国科学技术大学曾杰/李洪良、安徽工业大学吴文龙、东南大学代云茜教授团队：封装于缺陷碳基质中的钴纳米颗粒用于间歇性二氧化碳甲烷化

研究背景及出发点

风能、太阳能等可再生能源存在发电间歇性问题，依托绿电进行CO₂甲烷化可同步实现碳封存与储能，但该技术受波动的工况制约。现有催化剂经历反复冷热循环时，由于载体与金属的热膨胀系数不匹配，会导致产生大量热应力，造成金属颗粒烧结、载体骨架碎裂。同时，高温易触发逆水煤气变换副反应，降低甲烷选择性。反相CeZrOₓ/Ni和反相Al₂O₃/Ni等主流催化剂均难以规避该缺陷。传统核壳结构、强金属载体相互作用改性手段会损失催化活性。针对这一矛盾，本文设计MOF衍生缺陷碳限域钴纳米颗粒催化剂，借助碳材料低热膨胀、高导热特性缓冲温度波动带来的热损伤，依靠碳缺陷与钴位点协同，经甲酸盐反应路径实现宽温区间高甲烷选择性，适配波动可再生能源间歇运行场景。

成果概述

近日，中国科学技术大学曾杰/李洪良、安徽工业大学吴文龙、东南大学代云茜教授团队在Angew. Chem. Int. Ed.发表了题为"Cobalt Nanoparticles Confined in Defective Carbon Matrices for Robust Intermittent CO₂ Methanation"的研究论文（DOI：10.1002/anie.4611954），秦精忠、尹帅帅为论文第一作者。研究团队报道了一种通过热解Co-MOF前驱体构筑的碳载钴纳米催化剂（Co@NC-T）用于间歇性可再生能源驱动的CO₂甲烷化反应。研究发现，Co@NC-800在25次加热-冷却循环和变空速条件下保持82.3%的CO₂转化率和>99%的CH₄选择性，显著优于传统Ni基催化剂。这种优异稳定性源于碳基质低热膨胀系数和高热导率对热应力的有效耗散，以及碳缺陷对Co纳米颗粒的限域作用。机理研究揭示了碳缺陷作为CO₂活化位点、Co纳米颗粒作为H₂解离位点的协同催化机制，氢通过氢溢流迁移至碳缺陷处与吸附的CO₂反应，经由甲酸盐路径生成CH₄，避免了CO副产物的生成。该工作为设计适应波动能源供给的稳健CO₂加氢催化剂提供了新思路。

图文解析

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

系统评价了三种不同热解温度下制备的钴基碳载催化剂（Co@NC-600、Co@NC-800、Co@NC-1000）的CO₂加氢性能。结果表明Co@NC-800活性最优，且能够维持大于120 h以上的稳定性。并且，三种Co@NC-T样品在200~400℃的宽温度范围内，甲烷选择性都保持在99%以上。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

为了测试Co@NC-800在间歇性工况下的性能。作者模拟了三类典型间歇工况：电源通断循环、室温-400 ℃升降温循环、变空速循环。结果表明经过至少25次循环后，催化剂活性和选择性几乎没有衰减。作为对比，传统工业反相Al₂O₃Ni催化剂5次循环后转化率从90.3%跌到55.8%、选择性跌破86%。先进的CeZrOₓ/Ni催化剂120分钟就持续失活，充分体现了碳载钴催化剂在间歇工况下的突出优势。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

通过多种表征手段，系统分析了不同热解温度下催化剂在形貌、物相、缺陷及孔结构方面的差异。结果表明我们制备的Co@NC-T是由缺陷碳和钴纳米颗粒组成的。且缺陷数量Co@NC-800 ＞ Co@NC-600 ＞ Co@NC-1000。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

活性位点、反应路径和结构稳定性三个层面的分析表明，催化剂的高活性和高稳定性源于其独特的协同催化机制。结果表明碳缺陷作为CO₂的活化位点，Co纳米颗粒作为H₂的解离位点，两者协同作用进行CO₂甲烷化反应。

本研究通过热解Co-MOF前驱体，制备了限域于缺陷碳基质中的钴纳米催化剂（Co@NC-800）。该催化剂在间歇性CO₂甲烷化中表现出优异的稳定性：经25次加热-冷却循环和变空速操作后，CO₂转化率保持82.3%，CH₄选择性>99%，远优于传统Ni基催化剂。其稳健性源于碳基质低热膨胀系数和高热导率对热应力的有效耗散，以及碳缺陷对Co颗粒的锚定作用。机理研究表明，碳缺陷作为CO₂活化位点，Co纳米颗粒解离H₂并通过氢溢流参与反应，遵循甲酸盐路径，避免CO生成，从而保证宽温区高选择性。未来工作可聚焦于进一步提升碳缺陷密度、优化金属分散度及开展工程化验证，推动该催化剂在波动能源条件下的实际应用。

通讯作者简介

曾杰，安徽工业大学党委副书记、校长，中国科学技术大学讲席教授。1998年进入中国科学技术大学学习，2002年获应用化学学士学位，2008年获凝聚态物理博士学位，师从侯建国院士。2008年赴美，在美国圣路易斯华盛顿大学夏幼南教授研究团队工作。2012年，回到中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心任教授。2022年9月，受聘中国科学技术大学讲席教授，同年11月起任安徽工业大学党委常委、副校长。2025年1月，任安徽工业大学党委副书记、校长。入选国家杰出青年科学基金、国家高层次人才特殊支持计划科技创新领军人才、英国皇家化学会会士（FRSC），担任国家重点研发计划首席科学家。研究领域为二氧化碳催化转化技术。迄今为止，曾杰教授已在《自然》、《自然·纳米技术》、《自然·催化》、《自然·能源》、《自然·材料》、《自然·合成》、《自然·可持续性》、《自然·化工》等高影响力学术期刊发表了303篇论文，SCI总被引用35000余次，H因子为102，入选2019至2024年的全球高被引科学家名录。申请中美专利共125项，出版书籍5部。荣获何梁何利基金科学与技术创新奖、发展中国家科学院化学奖、中国青年科技奖“特别奖”、科学探索奖、青山科技奖、德国Falling Walls 科学突破奖、英国国际发明展年度国际发明“钻石奖”、中国化学会-巴斯夫公司青年知识创新奖、中国化学会-赢创化学创新奖、侯德榜化工科学技术“创新奖”、中国材料研究学会科学技术奖一等奖、中国颗粒学会自然科学奖一等奖、中国科技产业化促进会科学技术一等奖、安徽省自然科学奖一等奖（两项）等奖项。研究成果入选国家“十三五”科技创新成就展、2022年中国十大科技进展新闻。

曾杰课题组介绍

曾杰，安徽工业大学党委副书记、校长，中国科学技术大学讲席教授。1998年进入中国科学技术大学学习，2002年获应用化学学士学位，2008年获凝聚态物理博士学位，师从侯建国院士。2008年赴美，在美国圣路易斯华盛顿大学夏幼南教授研究团队工作。2012年，回到中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心任教授。2022年9月，受聘中国科学技术大学讲席教授，同年11月起任安徽工业大学党委常委、副校长。入选国家杰出青年科学基金、国家“万人计划”科技创新领军人才、英国皇家化学会会士（FRSC），担任国家重点研发计划首席科学家。研究领域为二氧化碳催化转化技术。迄今为止，已在Nature、Nature Nanotechnology、Nature Catalysis、Nature Materials、Nature Energy、Nature Sustainability、Nature Synthesis、Nature Chemical Engineering等高影响力学术期刊发表了270余篇论文，SCI总被引用>27000余次，H因子为88，入选2019至2024年的全球高被引科学家名录。申请中美专利共75项，出版书籍5部。荣获中国青年科技奖“特别奖”、Falling Walls 科学突破奖、英国国际发明展年度国际发明“钻石奖”、中国科技产业化促进会科学技术一等奖、中国化学会-赢创化学创新奖、侯德榜化工科学技术青年奖、中国新锐科技人物、安徽省自然科学奖一等奖、安徽青年五四奖章等奖项。研究成果入选国家“十三五”科技创新成就展、2022年中国十大科技进展新闻。

研究团队拥有一流的工作平台，开放活跃的学术氛围和丰富的国内外交流合作机会。现有平台和仪器包括原位DRIFTS、TPD-MS、BET、电化学测试一体化测试平台、各类固定床和浆态床反应器、UV、Plasma等多种催化剂表征和测试仪器。此外课题组和上海光源、合肥光源具有高度密切的合作关系，并以此搭建了各类原位测试平台。

一、招聘岗位：常年招聘博士后/特任副研究员，开展多相催化反应研究，包括实验和理论计算，反应涉及CO₂加氢、费托合成、甲烷干重整、甲烷部分氧化、丙烷脱氢、小分子电合成等研究。

二、应聘要求：

已获或即将获得博士学位，原则上年龄≤35周岁，具有催化、化工、材料、化学等相关背景；

已在相关领域以第一作者发表过高水平创新性研究论文；

热爱科研，具备独立开展研究工作的能力与探索精神。

三、岗位待遇：

税前年薪40万元（不含科研奖励）；

聘期最长4年，原则上无需承担教学任务；

在站期间主持1项国家自然科学基金（青年/面上均可），完成考核即可进入晋升绿色通道，可直接转为资格副教授/资格教授（正式编制）。

备注1：资格副教授，税前年薪30W，经考核通过后可以直升副教授（绿色通道）。

备注2：资格教授，税前年薪40W，经考核通过后可以直升教授（绿色通道）。

四、应聘方式

请将个人简历、代表性成果等申请材料发送至邮箱：zengj@ustc.edu.cn，邮件主题请注明：“安工大应聘-姓名-毕业院校”，课题组承诺对所有应聘材料严格保密。

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