清華大學 Nat. Nanotech.：直接觀察貴金屬納米粒子轉變為熱穩定的單原子

【引言】

基于貴金屬的催化劑已廣泛應用于工業應用，但其儲量稀缺，使得相關產業生產成本升高。將貴金屬分散成超細納米粒子，是提高其效率和催化反應性能的有效策略。目前原子分散的催化劑因其最大化的原子利用率和獨特的結構引起學者的極大關注。但是，超細納米顆粒由于表面自由能的減少，在高溫下具有聚集成較大顆粒的趨勢。本文發現了一種反常的現象，即貴金屬納米顆粒（Pd，Pt，Au-NPs）在900℃以上惰性氣氛中可以轉變為熱穩定單原子（Pd，Pt，Au-SAs）。

【成果簡介】

近日，清華大學的李亞棟院士和李治（共同通訊）等人，報道了一種現象：在900℃以上，貴金屬納米顆粒（Pd，Pt，Au-NPs）惰性氣氛中可以轉變為熱穩定單原子（Pd，Pt，Au-SAs）。通過SEM和XRD證實了金屬單原子的原子分散，并用原位TEM實時觀測動態轉化過程，此外，密度泛函數理論計算表明，氮摻雜碳的缺陷可以捕獲可移動的Pd原子時，形成熱力學更穩定的Pd-N₄結構，從而驅動著NP向SA轉化。熱穩定單原子（Pd-SAs）表現出比納米顆粒（Pd-NPs）更好的活性和選擇性。相關成果以“Direct observation of noble metal nanoparticles transforming to thermally stable single atoms”為題發表在Nat. Nanotech.上。

【圖文導讀】

圖 1 Pd納米顆粒高溫轉化成單原子示意圖及其結構表征

（a-d）Pd納米顆粒轉化成單原子示意圖及其透射圖；

（e）Pd-SAs的元素Mapping圖；

（f）Pd-SAs的原子分辨HAADF-STEM圖像；

（g）Pd-SAs和Pd-NPs的EXAFS曲線。

圖?2 Pt和Au的單原子轉變及其結構表征

（a）Pt-NPs的原子分辨HAADF-STEM圖像；

（b）Pt-SAs的原子分辨HAADF-STEM圖像；

（c）Pt-SAs和Pd-NPs的EXAFS曲線；

（d）Au-NPs的原子分辨HAADF-STEM圖像；

（e）Au-SAs的原子分辨HAADF-STEM圖像；

（f）Au-SAs和Pd-NPs的EXAFS曲線。

圖?3 納米顆粒形貌表征及理論計算

（a）不同溫度下納米顆粒的E-TEM圖；

（b）不同溫度下納米顆粒平均直徑及顆粒數曲線圖；

（c）1000℃下，平均直徑和顆粒數與熱解時間曲線圖；

（d）DFT理論模擬計算圖。

圖?4 不同催化劑的乙炔半氫化性能

（a）不同Pd催化劑的乙炔轉化性能曲線圖；

（b）不同Pd催化劑的乙炔選擇性能曲線圖。

圖?5 乙炔半氫化過程理論計算

（a）Pd單原子上乙炔與乙烷逐步加氫機理的能量分布及相應結構；

（b）Pd（111）表面乙炔與乙烷逐步加氫機理的能量分布及相應結構。

【小結】

本文研究了貴金屬納米顆粒（Pd，Pt，Au-NPs），在900℃以上惰性氣氛中可以轉變為熱穩定單原子（Pd，Pt，Au-SAs）。通過SEM和XRD證實了金屬單原子的原子分散，并用原位TEM實時觀測動態轉化過程，利用DFT模擬計算深入解釋了其轉化的機理。這項研究為開發具有高度熱穩定性的貴金屬單原子催化劑開辟了新道路！

文獻鏈接：Direct observation of noble metal nanoparticles transforming to thermally stable single atoms（Nat. Nanotech.，2018，DOI：10.1038/s41565-018-0197-9）

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