動態光譜技術為工業催化劑活性位點識別和反應機理解析提供了實時、精準的動態觀測手段。近日，華東理工大學化工學院、綠色化工與工業催化國家重點實驗室朱明輝教授通過創新性的動態光譜技術，首次實現了對甲醇水蒸氣重整（methanol steam reforming, MSR）反應網絡的實時解析，明確了Cu-Zn界面的雙功能催化機制，為理性設計高性能制氫催化劑提供了理論基礎。所發展的同位素調制激發結合相敏檢測的漫反射紅外傅立葉變換光譜技術（ME-PSD-DRIFTS）為多相催化反應機理研究開辟了新途徑。相關成果發表于《美國化學會志》。
氫能作為一種清潔高效的能源載體，在構建未來可持續能源體系中具有重要戰略地位。其中，甲醇水蒸氣重整（methanol steam reforming, MSR）因其反應條件溫和、氫氣產率高而成為最具應用前景的制氫技術之一。銅基催化劑憑借其優異的活性和較低的CO選擇性在該反應中展現出獨特優勢。然而，現有研究對MSR反應中活性位點的本質認識仍存在爭議，對反應機制的闡釋也多基于靜態條件下的實驗結果，這嚴重制約了高性能催化劑的理性設計。
為突破這一瓶頸，本研究創新性地采用ME-PSD-DRIFTS方法首次實現了對Cu-Zn催化劑表面反應動力學的原位動態解析。研究采用自主研發的低死體積原位漫反射池系統，其優化的原位池腔內結構具有極低的氣體平均停留時間，且獨特設計的雙ZnSe凸透鏡漫反射光學附件系統可最大限度提升信號強度。通過周期性切換同位素原料（H/D、12C/13C）的調制激發方式，結合相敏檢測技術，成功構建了“動態信號提取”的研究范式。這種方法能夠有效區分活性中間體與旁觀物種，為揭示MSR反應的真實機制提供了關鍵技術支撐。
實驗結果表明，Cu-Zn界面協同作用在催化過程中起著決定性作用：甲醇在Cu位點上優先吸附解離形成甲氧基（CH?O*），而ZnO主要負責水分子的吸附。關鍵中間體甲酸鹽（HCOO*）的形成被證實是通過甲氧基與表面羥基的相互作用實現的，且其C-H鍵中的氫原子來源于甲醇分子而非水分子。相敏檢測技術進一步揭示甲氧基脫氫步驟是該反應的速率控制步驟。程序升溫表面反應實驗排除了CO路徑的可能性，證實甲酸鹽直接分解為CO?和H?的路徑主導整個反應過程。此外，通過碳同位素示蹤實驗明確了表面碳酸鹽物種的旁觀者角色。這些發現不僅深化了對MSR反應機理的理解，更為設計高效銅基制氫催化劑提供了重要的理論依據。
