甲醇(CH₃OH)作为一种基本的工业原料，可用于合成一系列重要的工业化学品(如低碳烯烃和汽油)。由此可见，由CO₂催化转化为甲醇的过程具有重要的商业价值。铜催化剂因其优良的催化活性和对合成甲醇的稳定性而受到广泛关注。然而，由于铜物种的配位结构复杂，铜基催化剂中各种产物的实际活性位点难以确定。此外，铜纳米颗粒的物理尺寸也对其催化性能的影响，这使得对CO₂加氢反应的实际活性铜位点的研究变得困难。虽然在对铜催化剂活性位点的研究上已经取得了重大进展，但关于催化剂与反应之间的结构-性能关系仍不清晰。

近日，福州大学谭理和复旦大学刘智攀等合成了一种高效的Cu₁/无定型ZrO₂单原子催化剂，其在相对较低的温度(180°C)下实现CO₂加氢反应生成甲醇，其清晰的活性位点结构以及单一的产物分布清楚地揭示了催化剂结构与性能间的关系。实验结果显示，孤立的阳离子Cu₁-O₃在催化剂表面动态积累并且在催化过程中形成稳定的活性位点，在180°C的二氧化碳加氢过程中对甲醇具有高选择性(100%)。

此外，铜单原子催化剂可以在附近氧原子的帮助下轻松解离氢并且激活CO₂生成HCOO*(甲醇合成的关键中间体)。更重要的是，小的铜团簇和/或纳米颗粒是通过RWGS途径形成CO的活性位点，而大的铜颗粒在低温下几乎不能激活CO₂。总的来说，铜单原子催化剂的特征几何结构和独特的活性之间的关系为铜催化CO₂加氢提供了深入的了解，并为未来单原子催化剂在热催化CO₂转化中的应用提供了理论指导。

The role of Cu₁-O₃ Species in Single-atom Cu/ZrO₂ Catalyst for CO₂ Hydrogenation. Nature Catalysis, 2022. DOI: 10.1038/s41929-022-00840-0