Atomic-scale CuOx–Fe3O4₋x/TiO2 heterostructures with defect synergy for highly selective and efficient reverse water–gas shift reaction, Chemical Engineering Journal 530, 173387(2026)
具缺陷協同效應的原子尺度 CuOx–Fe3O4₋x/TiO2 異質結構，用於高選擇性與高效率的逆水煤氣轉換反應
Po-Wen Cheng, Fa-Chih Pai, Chien-Yi Liu, Chih-Wei Hu*, Ching-Yi Chou, Guo-Wei Lee, Chia-Shing Wu, Chun-Hong Kuo, Kuang-Kuo Wang, Po-Chun Chen, Tsan-Yao Chen*
2026/05/07
逆水煤氣轉換（reverse water–gas shift, RWGS）反應可將 CO₂ 與 H₂ 轉化為 CO，是碳中和能源循環與化學原料製備中的關鍵步驟。儘管銅基觸媒在 CO 選擇性上接近理想，但其反應活性受限；相對地，非銅系觸媒，特別是 Ni 與 Co，則常因過度氫化生成 CH₄，導致活性與選擇性之間的根本性權衡問題。本研究提出一種以 TiO₂ 為載體之 Fe₃O₄₋ₓ 觸媒，並透過化學吸附–還原結合自發氧化策略，在其表面均勻修飾原子尺度的 CuOₓ 團簇。值得注意的是，僅引入 0.75 wt% 的 Cu，即可使 Fe/TiO₂ 的 CO 與 CH₄ 產率分別提升 653% 與 57 倍，顯示在極低 Cu 載量下仍具卓越的促進效應。該材料設計整合了三項關鍵機制：(i) 透過多重 Ti–O–Fe–Cu 異質界面進行界面電子調控，精準調整晶格氧鍵結能並穩定 *COOH 中間體；(ii) TiO₂ 氧空缺、CuOₓ 缺陷位與鐵氧化物缺陷位之間的缺陷協同效應，協同促進 CO₂ 活化、吸附氧（O_ads）移除與 H₂ 解離；(iii) 反應路徑最佳化，有效提升 CO 產率、抑制 CH₄ 生成並降低表觀活化能，使系統在 300 °C 以下即可實現高 CO 選擇性與高產率。綜合 HAADF-STEM、XRD、XAS 與 XPS 分析顯示，在反應條件下界面電子結構會發生動態重分佈，並伴隨氧空缺的持續再生，進而建立明確的結構–功能關聯。本研究提供一項具機制導向的設計策略，可用於開發同時兼具高活性、高選擇性與經濟可行性的下一代 RWGS 觸媒。
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