自第一次工业革命以来,人类社会取得迅猛发展的同时开始逐渐加重对化石燃料的依赖,直接后果是目前地球大气中二氧化碳(下文写作CO2)浓度相比前工业时代增长了 40%,进而导致日益严重的全球变暖、极端天气发生、海洋酸化等环境问题,危及地球生态环境和社会稳定。利用催化剂可以将CO2通过加氢反应高效地转化成甲醇,后者既是一种基础化学品,也可以是液体燃料,还可以作为氢能储存体。因此C02加氢制甲醇研究对于缓解能源与环境问题具有重大意义,其中关键即为高效催化剂的研制,Cu-ZnO催化剂以其廉价易得、高催化活性的优点研究最为广泛。本论文探究了三种不同于传统共沉淀法的Cu-ZnO催化剂合成方法来构建Cu-ZnO催化剂,并采用了多种手段对催化剂的结构进行了剖析,尤其是通过TPR、TPD等化学吸附分析方法对催化剂表面性质进行了表征,对于不同体系的Cu-ZnO催化剂的构效关系有了深入的认识。主要研究结果如下:(1)采用一缩二乙二醇热还原法构建了 Cu-ZnO催化剂,并用Pd对催化剂表面Cu进行了精细调控。随着Pd掺入量从0逐渐增至4%(相对于Cu摩尔量),催化测试中发现甲醇的时空收率随着Pd载量呈现出火山形曲线关系。掺入1%Pd的催化剂表现出最佳的性能,甲醇收率是未经修饰的的2.5倍,在543 K反应温度下此催化剂上的甲醇转化频率(TOF)达到0.015 s-1,是Cu-ZnO催化剂的3.5倍。动力学研究表明,经过Pd修饰后的Pd-CZ-0.01催化剂上C02加氢制甲醇反应的活化能为31 kJ mol-1,远低于CZ的59 kJ mol-1。通过表面化学吸附分析我们发现少量Pd掺入带来的活性促进作用源自于Pd的氢溢流效应,而进一步增加Pd的量则会导致Cu表面被覆盖从而降低催化剂的活性,因此上述火山形曲线关系是这两种效应共同作用的结果。通过制甲醇活性与活性Cu比表面积之间的线性关系,我们认为这种氢溢流效应活化的Cu与ZnO的界面处是C02加氢制甲醇反应的活性位点。(2)在CuSiO3还原所得的约4 nm Cu颗粒周围引入不同量的ZnO纳米颗粒,制备了系列Cu-ZnO催化剂。研究发现:ZnO的引入大幅降低了负载于Si02上的Cu催化剂的制甲醇反应的活化能(从Cu-Si02催化剂的72 kJ mol-1降至14%质量分数ZnO改性后催化剂的33 kJmol-1),与此同时抑制了逆水气反应的进行,从而使得催化剂上甲醇选择性大大提高(甲醇TOF提高至2～3倍);但ZnO载量进一步增大将导致Cu的尺寸增大以及表面被覆盖,造成单位质量催化剂的制甲醇活性下降。(3)将Cu负载于超大比表面积以及超大比孔体积的Zn基金属有机框材料ZIF-8中,然后通过煅烧来构建Cu-ZnO催化剂。当Cu以硝酸盐的形式进入ZIF-8中时,溶剂挥发的过程将破坏ZIF-8结构形成氢氧硝酸盐进而煅烧所制备的催化剂Cu、ZnO尺寸均较大,虽然整体甲醇时空收率高于前面章节的催化剂,但是活性仍然有较大的提升空间。当Cu以金属纳米颗粒的形式被负载于ZIF-8上时,前驱体中ZIF-8的高比表面积和孔道结构得以保留,通过温和的煅烧过程,我们成功实现了向小尺寸Cu纳米颗粒表面沉积小尺寸ZnO的催化剂构建思路,所制得的催化剂拥有丰富的Cu-ZnO界面,其活性高达934 g甲醇 kg 催化剂 h-1,高于HiFUEL这种经过优化的商业化Cu-ZnO-A1203催化剂。通过多种表征手段结合二次氢气程序升温还原、氢气程序升温脱附和C02程序升温脱附,我们对于催化剂中的Cu-ZnO界面性质有了更深的认识,发现:小尺寸ZnO带来的强Cu-ZnO相互作用一方面促进了单位表面Cu的CO2加氢制甲醇活性,另一方面将会降低Cu比表面积,最佳的催化剂构建方法是在两种效应中取得平衡;当煅烧温度更高时,ZnO尺寸将稍微增大,尽管Cu纳米颗粒发生烧结,但是催化剂在还原时发生ZnO还原,这将增大生成CO的逆水气变换反应的活化能。