Nature最新報道中科大路軍嶺、楊金龍&韋世強等: 利用Fe1(OH)3 -Pt催化劑解決PEMFCs中催化劑中毒，助推新能源汽車

【文章亮點】

1、 利用原子層沉積（ALD）技術，在SiO₂負載的Pt金屬納米顆粒表面上，選擇性的以原子級別的方式將FeO_x沉積；

2、 利用STM、原位XAFS和原位NAP-XPS等先進技術手段證實是成功構筑了Fe₁(OH)₃-Pt單位點金屬界面催化劑；

3、制備的Fe1(OH)3-Pt單位點界面催化劑可以在198-380 K下實現選擇性完全氧化CO, 并且保持100%的選擇性。

【背景介紹】

質子交換膜燃料電池 (PEMFCs)是一種很有吸引力的下一代能源電池，可用于汽車和其他應用領域，其開發的重點在于改進燃料電池的催化劑系統。一個常見的問題就是催化劑中毒：通常在氫氣中包含的微量的一氧化碳 (CO)雜質氣體，會使催化劑中毒。一個可能的解決方法是：對氫氣提純，即利用催化劑在氫氣中優先氧化一氧化碳 (CO)。然而，在汽車燃料電池頻繁的冷啟動期間，催化劑需要在廣泛的低溫范圍內仍舊對CO氧化具有活性和選擇性，以便在連續的PEMFCs操作期間（約353 K）有效的除去CO（低于百萬分子五十），因此，這種方法是具有挑戰性的。

【成果簡介】

中國科學技術大學的路軍嶺教授、楊金龍教授和韋世強教授（共同通訊作者）等人合力在Nature上發表了最新的關于金屬催化劑的文章，題目為“Atomically dispersed iron hydroxide anchored on Pt for preferential oxidation of CO in H₂”。在文中，展示了原子級分散的氫氧化鐵選擇性的沉積在二氧化硅負載的鉑(Pt)納米粒子上，通過PROX催化反應在198-380 K的寬溫度范圍內實現完全選擇性氧化CO, 并且保持100％的選擇性除去CO。同時，研究發現該體系的質量比活性比在氧化鐵載體上由Pt組成的常規催化劑高約30倍。利用原位X射線吸收精細結構測量，發現大部分氫氧化鐵以Fe₁(OH)_x簇的形式存在于Pt納米粒子上。利用密度泛函理論計算，發現Fe₁(OH)_x-Pt單位點界可以很容易與CO反應并促進氧活化。總之，這些發現表明，除了靶向氧化物負載的貴金屬納米顆粒或分離金屬原子的策略之外，分離過渡金屬配合物的沉積為設計高活性金屬催化劑的提供了新方法。

該論文的共同第一作者為：?Cao?Lina, Liu Wei and Luo Qiquan?

【圖文解讀】

圖一、合成方案、Fe負載和xcFe-Pt / SiO₂催化劑的形態

圖二、催化劑中xcFe-Pt / SiO₂、Pt / SiO₂和Pt / Fe₂O₃催化劑在PROX反應中的催化性能

圖三、原位XAFS測量1cFe-Pt / SiO₂催化劑在Fe K邊緣和Pt L₃邊緣，用于制備的1cFe-Pt / SiO₂-O、在室溫下還原（1cFe-Pt / SiO₂-R）和PROX 室溫下反應（1cFe-Pt / SiO₂-P）

圖四、提議的在Fe₁(OH)₃ @ Pt (100)上進行CO氧化的反應途徑

【小結】

綜上所述，作者利用ALD技術的優勢，將其應用在高效催化劑的設計領域，并成功的在SiO₂負載的Pt金屬納米顆粒表面上原子級別的精確的構筑了Fe₁(OH)_x，形成了具有超高活性和穩定性的Fe₁(OH)_x-Pt單位點界面催化活性中心。利用STM、原位NAP-XPS和原位XAFS等先進的技術檢測手段，證實了上述結論，并利用泛函密度理論計算推測了其可能的反應機理。盡管由XAFS確定的Fe₁(OH)_x單體的比例可能由于該方法的局限性而具有相當大的誤差，并且我們不能排除那些較少粒子的鐵—氫氧化物簇（即Fe_n(OH)_x, n = 2,3，...）對我們觀察到的催化活性也有很大貢獻，但是研究結果表明貴金屬表面上分離過渡金屬（氫）氧化物物種構成的先進金屬催化劑的開發是一個非常有希望的新目標。

文獻鏈接：Atomically dispersed iron hydroxide anchored on Pt
for preferential oxidation of CO in H₂（Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-018-0869-5）

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