清華王定勝Adv. Mater. : 缺陷對于TiO2納米片的影響——單原子位點金的穩定以及催化性能提升

【引言】

單原子位點催化劑由于其在電池、催化等領域出色的應用，近年來吸引了大量的研究興趣，其不僅減少了貴金屬的使用也提升了催化活性。盡管其具有眾多優勢，高表面能的單原子金屬位點具有高度的移動性，在合成和催化過程中傾向于形成聚集體，降低了單原子催化劑的穩定性。為解決單原子催化劑穩定性差的問題，研究人員采取了大量策略來制備穩定性的良好單原子催化劑。金屬氧化物是理想的催化劑基底，其中金屬氧化物的缺陷工程能夠調節材料特性，為催化、器件以及物理特性調控提供了新的機遇。然而，到目前為止，關于缺陷對于單原子催化劑設計的影響的研究較少，這仍然是該領域的一大挑戰。

【成果簡介】

近日，清華大學王定勝教授(通訊作者)等通過在基底表面上構造缺陷以穩定單原子位點金屬，并在Adv. Mater.上發表了題為“Defect Effects on TiO₂ Nanosheets: Stabilizing Single Atomic Site Au and Promoting Catalytic Properties”的研究論文。作者制備了缺陷TiO2納米片負載單原子位點Au。研究發現：(1)TiO₂納米片表面缺陷可以通過形成Ti-Au-Ti結構有效地穩定Au單原子位點；(2)Ti-Au-Ti結構也可以通過降低能量勢壘以及緩解Au單原子位點的競爭吸附進而提升催化性能。相信上述工作能夠為設計穩定和活躍的氧化物基底負載單原子位點催化劑提供方法上的支持。

【圖文簡介】

圖1 Au-SA/Def-TiO₂的制備和形貌

a) Au-SA/Def-TiO₂的制備示意圖；

b) Au-SA/Def-TiO₂的TEM圖像；

c) Au-SA/Def-TiO₂的縱向TEM 圖像(內插：選區HRTEM圖像)；

d) Au-SA/Def-TiO₂的HAADF-STEM圖像，單原子Au位點以紅圈標注；

e) Au-SA/Def-TiO₂的元素分布[鈦(藍色)和金(紅色)]。

圖2 (Def-)TiO₂的結構表征

a) (Def-)TiO₂的XRD圖譜；

b) (Def-)TiO₂的EPR圖像；

c) (Def-)TiO₂的O1s XPS譜圖；

d) (Def-)TiO₂的Ti 2p XPS譜圖；

e) (Def-)TiO₂的XANES譜圖，紅色區域為近邊吸收能量；

f) (Def-)TiO₂的Ti L3-邊 XANES譜圖。

圖3 Au-SA/Def-TiO₂的表面元素和精細結構分析

a) Au-SA/Def-TiO₂的Au 4f XPS譜圖；

b) Au-SA/Def-TiO₂的XANES譜圖；

c) Au L3-邊的傅里葉變換；

d-f) Au-SA/Def-TiO₂、金箔和金納米粒子的WT；

g) 金附近的局部原子結構。

圖4 Au-SA/Def-TiO₂的催化性能和DFT計算

a) CO氧化的催化性能；

b) 穩定性測試；

c) Au-SA/Per-TiO₂和Au-SA/Def-TiO₂自由能路徑；

d) CO氧化過程模型示意圖；

e) DFT計算。

【小結】

研究人員制備了缺陷TiO₂納米片負載單原子Au位點，其表面具有Ti-Au-Ti三中心結構，不僅可以提升單原子位點Au的穩定性，而且通過降低能量勢壘以及緩解Au單原子位點的競爭吸附進而提升催化性能。上述結果在下一代高效單原子催化劑的發展中應用前景廣闊。

文獻鏈接：Defect Effects on TiO₂ Nanosheets: Stabilizing Single Atomic Site Au and Promoting Catalytic Properties (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201705369)

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