甲醇是一种清洁能源和燃料添加剂，同时也是生产其他化学品的重要化工原料。工业上，甲醇是通过Cu/ZnO/Al₂O₃催化剂在一定温度和压强条件下催化转化合成气（H₂、CO和CO₂）而制备的。近些年，为了缓解温室效应、降低CO₂的排放，利用CO2加氢制备甲醇也获得了越来越多的关注。诸多研究结果表明，Cu/ZnO/Al₂O₃催化剂不同组分间的协同作用对催化剂的整体性能起着至关重要的作用。然而，由于Cu/ZnO/Al₂O₃催化剂组分较多且相互作用复杂，学术界对其活性状态以及催化反应的构效机制等方面仍未完全理解，甚至存在着较大争议。鉴于原位电镜在催化研究中的技术优势，即可在接近真实催化反应条件下实现对催化剂在亚埃尺度的形貌、结构、成分等重要信息的表征，它的应用将有望进一步改善人们对工业Cu/ZnO/Al₂O₃催化剂的活性结构、催化反应机制以及不同组分间的协同作用等重要问题的理解。

近日，福州大学黄兴教授与苏黎世联邦理工学院Marc-Georg Willinger教授（现慕尼黑工大）等人利用原位、离位电镜技术表征了工业Cu/ZnO/Al₂O₃催化剂在不同状态下（即前驱体状态、氢气活化以及工作状态y），从微米到原子尺度的形貌、结构和成分等信息。结果显示，催化剂前驱体的结构和成分具有高度不均匀性，即存在各种不同的形貌、成分（Cu:Zn:Al比差别较大）和结构。接下来，作者通过原位观察直接揭示出氢气活化处理中催化剂前驱体形貌、结构和成分的演变过程，并进一步揭示出，活化以及工作状态下的催化剂继承了催化剂前驱体成分的不均匀性。通过细致表征得出，反应气氛中催化剂的状态是由缺陷金属Cu纳米颗粒和与其紧密接触的不同形式的氧化锌（如非晶或结晶性较低的ZnOx，部分还原的 ZnOx 和结晶的 ZnO)、氧化铝、Zn-Al 氧化物、碳-锌-氧物种（如甲酸锌）构成。作者还发现，氧化铝在稳定阳离子Zn物种中起着潜在的重要作用。该工作在原子尺度上揭示出了工业催化剂在氢气活化后和催化反应气氛中的活性状态，为相关理论模型的建立提供了重要参考。此外，该工作还揭示出工业催化剂结构、成分的不均匀性问题。鉴于结构和催化性能的高敏感性，甄别出工业催化剂中的高活性部分并通过改良制备方法提高其占比将有望进一步提高催化剂的催化活性。