Modified Molybdenum Disulfide Catalyst for Hydrogenation of Carbon Dioxide to Methanol

doi:10.7503/cjcu20250307

Abstract

Abstract:

In this paper， we reported a comprehensive study on MoS₂-based catalysts and their modification for this reaction. First， the effects of different Mo and S precursors as well as hydrothermal conditions on catalytic performance were systematically screened. The optimal catalyst prepared from ammonium tetramolybdate and thiourea at 190 °C delivered a CO₂ conversion of 13.7% with an exceptional CH₃OH selectivity of 82.0%. Subsequent modification revealed that the introduction of Zn significantly boosts CO₂ hydrogenation activity. The 1%Zn/MoS₂ catalyst exhibited the best performance， achieving CO₂ conversion of 14.8% and CH₃OH selectivity of 90.5%. Over 150 h on-stream， the CO₂ conversion remained stable， while CH₃OH selectivity gradually increased and then plateaued. Characterization results showed that the hydrothermally synthesized MoS₂ possessed an average layer number of ca. 5.5， indicative of few-layered nanosheets. The incorporation of Zn not only enhanced H₂ activation， thereby raising CO₂ conversion， but also generated additional sulfur vacancies that are beneficial for the methanol formation. These findings provide crucial guidance for the rational design of robust catalysts with simultaneously high activity， selectivity and stability for conversion of CO₂ to methanol.

Key words: Carbon dioxide hydrogenation, Methanol synthesis, Molybdenum disulfide catalyst, Modified by Zn

CLC Number:

O643

TrendMD:

CHENG Yaoyang, LIN Weizhi, LE Yu, LI Songtao, LI Rujin, KANG Jincan. Modified Molybdenum Disulfide Catalyst for Hydrogenation of Carbon Dioxide to Methanol[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(6): 20250307.

Figures/Tables 17

References 37

[1]	McLaughlin H.， Littlefield A. A.， Menefee M.， Austin K.， Tobias H.， Benjamin K.， Morgan D.， Jinsoo K.， Steven G.， Renew. Sustain. Energy Rev.， 2023， 177， 113215
[2]	Ye J.， Dimitratos N.， Rossi L.， Thonemann N.， Beale A.， Wojcieszak R.， Science， 2025， 387， eadn9388
[3]	Behrens M.， Studt F.， Kasatkin I.， Kühl S.， Hävecker M.， Abild P. F.， Zander S.， Girgsdies F.， Kurr P.， Kniep B.， Tovar M.， Richard W.， Jens K.， Robert S.， Science， 2012， 336， 1219831
[4]	Zhang B.， Liu R.， Li L.， Guo W.， Zhang B.， Chen B.， Yuan W.， Li P.， Zhang S.， Wang J.， Yang J.， Luo Z.， Guo Y.， Nat. Commun.， 2025， 16， 7847
[5]	Jaroslav P.， Jan B.， Jirí V.， Jan S.， Tomas H.， Jhonatan R.， Milos S.， React. Funct. Polym.， 2025， 217， 106478
[6]	Hu J.， Cai Y.， Xie J.， Hou D.， Yu L.， Deng D.， Chem， 2024， 10， 1084—1117
[7]	Xu Z.， Ying X.， Lei W.， Nano Res.， 2024， 17， 960—981
[8]	Ding S.， Duan J.， Chen S.， EcoEnergy， 2024， 2， 45—82
[9]	Wang Y.， Wang L.， Zhang J.， Cai X.， Diao J.， Yang L.， Liu H.， EcoEnergy， 2023， 1， 207—214
[10]	Shi Y.， Zhang D.， Miao H. F.， Wu X. K.， Wang Z. C.， Zhan T. R.， Lai J. P.， Wang L.， Sci. China Chem.， 2022， 65， 1829—1837
[11]	Xiong H.， Kunwar D.， Jiang D. E.， García V. C.， Li H.， Du C.， Canning G.， Pereira H. X.， Wan Q.， Lin S. C.， Purdy S. T.， Miller J.， Leung K. S.， Chou S. H.， Brongersma H.， Veen R.， Huang J.， Guo H.， Wang Y. K.， Datye A.， Nat. Catal.， 2021， 4， 830—839
[12]	Hu J.， Yu L.， Deng J.， Wang Y.， Cheng K.， Ma C.， Zhang Q.， Wen W.， Yu S.， Pan Y.， Yang J.， Ma H.， Qi F.， Wang Y.， Zheng Y.， Chen M.， Huang R.， Zhang S.， Zhao Z.， Mao J.， Meng X.， Ji Q.， Hou G.， Han X.， Bao X.， Wang Y.， Deng D.， Nat. Catal.， 2021， 4， 242—250
[13]	Zhou S.， Zeng H.， ACS Catal.， 2022， 12， 9872—9886
[14]	Zhou S.， Ma W.， Anjum U.， Kosari M.， Xi S.， Kozlov M. S.， Zeng H.， Nat. Commun.， 2023， 14， 5872
[15]	Li Y.， Wang S.， Hu Y.， Zhou X.， Zhang M.， Jia X.， Yang Y.， Lin B.， Chen G.， J. Mater. Chem. A， 2022， 10， 5273—5279
[16]	Li X.， Huang J.， Yuan M.， Zhao Y.， Li M.， Du J.， Li J.， Wu F.， You Z.， Appl. Catal. B： Environ.， 2026， 382， 125970
[17]	Lei Y.， Hou J.， Wang F.， Ma X.， Jin Z.， Xu J.， Min S.， Appl. Surf. Sci.， 2017， 420， 456—464
[18]	Yang F.， Zhou W.， Yang C.， Zhang T.， Huang Y.， Acta Physico⁃Chim. Sin.， 2024， 40， 2308017
[19]	Jiang X.， Li X.， Xiong S.， Liu W.， Yan J.， Duan X.， Song S.， Cheng Q.， Tian Y.， Li X.， Carbon Capture Science Technology， 2025， 14， 100376
[20]	Li H.， Yin Z.， He Q.， Li H.， Huang X.， Lu G.， Fam D.， Tok A.， Zhang Q.， Zhang H.， Small， 2012， 8， 63—67
[21]	Halim U.， Zheng C. R.， Chen Y.， Lin Z.， Jiang S.， Cheng R.， Huang Y.， Duan X.， Nat. Commun.， 2013， 4， 2213
[22]	Zhu X.， Su Z.， Wu C.， Cong H.， Ai X.， Yang H.， Qian J.， Nano Lett.， 2022， 22， 2956—2963
[23]	Amani M.， Burke R. A.， Ji X.， Zhao P.， Lien D.， Taheri P.， Ahn G.， Kirya D.， Ager W. J.， Yablonovitch E.， Kong J.， Dubey M.， Javey A.， ACS Nano， 2016， 10， 6535—6541
[24]	Garcia⁃Esparza A. T.， Park S.， Abroshan H.， Paredes A. O.， Vinson J.， Abraham B.， Kim R. T.， Nordlund D.， Gallo A.， Alonso⁃Mori R.， Zheng X.， Sokaras D.， ACS Nano， 2022， 16， 6725—6733
[25]	Ye L.， Xu H.， Zhang D.， Chen S.， Mater. Res. Bull.， 2014， 55， 221—228
[26]	He F.， Luo J.， Liu S.， Chem. Eng. J.， 2016， 294， 362—370
[27]	Marinov A. D.， Bravo P. L.， Shah A. R.， Miller T. S.， Howard C. A.， Hinds G.， Shearing P. R.， Cullen P. L.， Brett D.， ACS Nano， 2023， 17， 5163—5186
[28]	Niu Z.， Gao X.， Lou S.， Wen N.， Zhao J.， Zhang Z.， Ding Z.， Yuan R.， Dai W.， Long J.， ACS Catal.， 2023， 13， 2998—3006
[29]	Chen K.， Wang F.， Wang Y.， Zhang F.， Huang X.， Kang J.， Zhang Q.， Wang Y.， JACS Au， 2023， 3， 2894—2904
[30]	MaY.， Leng D.， Zhang X.， Fu J.， Pi C.， Zheng Y.， Gao B.， Li X.， Li N.， Chu P.， Luo Y.， Huo K.， Small， 2022， 18， 2203173
[31]	Yang S. D.， Zheng Y. X.， Yang L.， Liu Z. H.， Zhou W. J.， Wang S. Y.， Zhang R. J.， Chen L. Y.， Appl. Surf. Sci.， 2017， 421， 891
[32]	Hou S.， Lian Y.， Xu Z.， Wang D.， Ban C.， Zhao J.， Zhang H.， Electrochimica Acta， 2020， 330， 135208
[33]	Zhang Z.， Zuo J.， Luo L.， Yang X.， Ma Z.， Jin H.， Yuan Y.， Qian Q.， Chen Q.， Luo Y.， J. Catal.， 2024， 436， 115621
[34]	Fei H.， Liu R.， Wang J.， Guo T.， Wu Z.， Wang D.， Liu F.， Adv. Funct. Mater.， 2023， 33， 2302501
[35]	Zhang S.， Wang H.， Joule， 2021， 5， 1038—1040
[36]	Huang F.， Wang S.， Zhang L.， Sep. Purif. Technol.， 2025， 365， 132681
[37]	Qin L.， Gao Y.， Han C.， Zhu M.， Wang S.， J. Mater. Chem. A， 2024， 12， 20107

Catalyst	CO₂ conv.（%）	Selectivity（%）
Catalyst	CO₂ conv.（%）	CO	CH₃OH	CH₄	Other
MoS₂⁃AT	12.3	9.9	83.7	6.0	0.4
MoS₂⁃ST	7.5	11.3	84.5	3.9	0.3
MoS₂⁃SMT	8.5	14.8	82.3	2.2	0.7
MoS₂⁃MP	8.7	9.8	87.5	2.5	0.2

Catalyst	CO₂ conv.（%）	Selectivity（%）
Catalyst	CO₂ conv.（%）	CO	CH₃OH	CH₄	Other
MoS₂⁃AT	12.3	9.9	83.7	6.0	0.4
MoS₂⁃ST	7.5	11.3	84.5	3.9	0.3
MoS₂⁃SMT	8.5	14.8	82.3	2.2	0.7
MoS₂⁃MP	8.7	9.8	87.5	2.5	0.2

Catalyst	CO₂ conv.（%）	Selectivity（%）
Catalyst	CO₂ conv.（%）	CO	CH₃OH	CH₄	Other
MoS₂⁃180	12.3	9.9	83.7	6.0	0.4
MoS₂⁃190	13.7	8.5	82.0	9.0	0.5
MoS₂⁃200	13.0	9.7	83.3	6.6	0.4
MoS₂⁃210	11.4	6.9	79.9	12.8	0.4
MoS₂⁃220	11.5	7.3	82.1	10.1	0.5

Catalyst	CO₂ conv.（%）	Selectivity（%）
Catalyst	CO₂ conv.（%）	CO	CH₃OH	CH₄	Other
MoS₂⁃180	12.3	9.9	83.7	6.0	0.4
MoS₂⁃190	13.7	8.5	82.0	9.0	0.5
MoS₂⁃200	13.0	9.7	83.3	6.6	0.4
MoS₂⁃210	11.4	6.9	79.9	12.8	0.4
MoS₂⁃220	11.5	7.3	82.1	10.1	0.5

Catalyst	CO₂ conv.（%）	Selectivity（%）
Catalyst	CO₂ conv.（%）	CO	CH₃OH	CH₄	Other
MoS₂	13.7	8.5	82.0	9.0	0.5
1%Cu/MoS₂	12.2	12.9	81.2	5.0	0.9
1%In/MoS₂	12.1	3.9	90.3	5.5	0.3
1%Zn/MoS₂	14.8	5.0	90.5	4.0	0.5
1%K/MoS₂	14.1	13.2	80.0	6.4	0.4
1%Pt/MoS₂	17.8	35.6	57.2	6.9	0.3
1%Ga/MoS₂	12.9	3.9	88.9	6.0	1.2
1%Cd/MoS₂	13.6	4.1	87.9	7.4	0.6