簡單易控-氧化物負載的SAC新突破

【導讀】

在傳統的納米催化劑中，納米顆粒的尺寸和形態通常隨著不同的 MSI（金屬-載體相互作用）而變化。MSI在負載型金屬催化劑的催化性能（活性/選擇性/穩定性）方面起著關鍵作用，對于作為一種新型非均相催化劑出現的單原子催化劑 (SAC) 尤其如此。然而，由于氧化物載體的堅固晶體結構，通過直接調整配位結構來調節氧化物負載的 SAC 上的 MSI 是相當具有挑戰性的。

【成果背景】

近日，大連化學物理研究所李為臻研究員聯合喬波濤研究員為共同通訊作者在”NATURE COMMUNICATIONS”上發表了一篇名為”Modulating the strong metal-support interaction of single-atom catalysts via vicinal structure decoration”的文章，他們報告了一種通過簡單的水浸泡處理方法調節 Pt/CoFe₂O₄ SAC 的強共價金屬-載體相互作用 (CMSI) 的新策略，這種策略可以達到催化 CH₄ 燃燒中 C-H 鍵活化增加超過 50 倍的效果，也可以擴展到其他存在 CMSI 的金屬負載催化劑上，為調節 SAC 的催化性能提供了強大的工具。

【核心創新點】

1. 通過簡單的水處理調整 Pt 單原子的鄰位環境，而不改變 Pt 原子的分散性和穩定性，調節 Pt SAC 的強共價金屬-載體相互作用 (CMSI)。
2. 水浸處理可以削弱 Pt 和 CoFe₂O₄ 載體之間的 CMSI，降低 Pt 的化學狀態，從而促進 C-H 鍵對甲烷燃燒的活化超過 50 倍
3. 這種策略可以擴展到其他具有 CMSI 的催化劑系統，為調節 SAC 的催化性能提供了一種簡單而有效的途徑。

【數據概覽】

圖 1：HAADF-STEM 圖像。@ NATURE COMMUNICATIONS

a,?b?Pt₁/CF,； c,?d?Pt₁/CF-W

圖 2：Pt₁/CF 和 Pt₁/CF-W 的 MSI。@ NATURE COMMUNICATIONS

a 用 He 吹掃 CO 時 Pt₁/CF 和 Pt₁/CF-W 的時間分辨 CO-DRIFT 光譜； b Pt 4?f XPS 光譜； c H₂-TPR 配置文件； d R 空間中的傅里葉變換 k² 加權 EXAFS 光譜。

圖 3：甲烷燃燒的催化活性。@NATURE COMMUNICATIONS

a Pt₁/CF 和 Pt1/CF-W 上 CH₄ 稀薄燃燒的起燃曲線； 反應條件：0.5?vol% CH₄、20?vol% O₂、N₂， 氣時空速(GHSV)?=?20,000?ml/(gcat·h)， 誤差條代表基于四次重復點火實驗的標準偏差； b 在 300?°C 時 Pt₁/CF 和 Pt₁/CF-W 上的 CH₄ 轉化率。

圖 4：Pt 單原子周圍的結構修飾。@NATURE COMMUNICATIONS

a 水處理前的結構，Pt/CF(110)； b 水處理后的結構，Pt/CF(110)-W。 BL：Pt-O 或 O-H 鍵長，BO（括號中的數字）：Pt-O 鍵序； BL 和 BO 在它們所屬的鍵旁邊被引用，方括號中的數字是 Pt 原子的巴德電荷。 原子顏色：H：白色，O：紅色，Fe：棕色，Co：藍色，Pt：銀色。

圖 5：C-H 鍵的活化。@ NATURE COMMUNICATIONS

a 在 250°C 下注入 CH₄ 時 Pt₁/CF 和 Pt₁/CF-W 上 CO₂ 的生成； b 水處理催化劑前后 CH₄ 燃燒在 Pt/NiFe₂O₄ 和 Pt/Fe₂O₃ 上的起燃曲線； 反應條件：0.5?vol% CH₄、20?vol% O₂、N₂； GHSV?=?40,000?ml/(g_cat·h)。

【結論】

作者的研究表明，在簡單的水浸泡處理后，在 Pt₁/CF SAC 中發現 CH₄ 燃燒的活性顯著提高了 50 倍。實驗和模擬中更詳細的研究表明，不是由于水直接參與反應，而是由于 H⁺ 對 Pt 單原子鄰位環境的調節，導致 Pt 和 CoFe₂O₄ 尖晶石之間的 CMSI 減弱，增加催化活性。這項工作提供了一種促進 SAC 活性的新策略，通過調整金屬原子的鄰位環境結構來調整 MSI，促進了微觀結構活性調節的新發展，為調節氧化物負載的 SAC 上的 MSI做出了突破。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-31966-1