Nature Communications: 熱穩定Pt/m-Al2O3單原子催化劑用于選擇性加氫和CO氧化

【引言】

由于全球金屬元素的持續消耗，在未來50年內將有約22種元素面臨短缺問題，特別是廣泛用于催化反應的貴金屬鉑。制備單原子催化劑，可以更加有效的利用金屬元素，有望解決這一問題。但是大量的催化反應是在高溫或氫氣氣氛下進行，并且單原子催化劑在高溫條件下容易團聚，因此制備高溫氫氣穩定的單原子催化劑具有重要意義。

【成果簡介】

最近，新加坡國立大學的顏寧教授(通訊作者)和中科院大連化物所的張濤院士、王愛琴研究員，阿卜杜拉國王科技大學Han Yu教授、日本京都大學Tanaka Tsunehiro教授合作在介孔氧化鋁上制備了熱穩性單原子Pt催化劑。由于單原子Pt穩定嵌入在不飽和五配位鋁上，使其具有更高的熱穩定性。200 °C下1,3-丁二烯選擇性加氫24 h；550 °C條件下己烷重整48 h；100^?oC-400^?oC條件下CO氧化反應1個月后，該催化劑仍然可以保持單原子狀態。

【圖文導讀】

圖1： Pt/m-Al₂O₃?單原子催化劑合成示意圖

圖2：單原子Pt催化劑結構表征

(a,b)?0.2Pt/m-Al₂O₃-H₂?單原子催化劑TEM圖,?(c)?TEM-EDS 元素掃描圖, (d) HAADF-STEM圖, (e) 532個單原子之間最近距離分布圖，0.2Pt/m-Al₂O₃-O₂單原子催化劑(f) HAADF-STEM 圖, (g,h) 單原子線掃面圖。?
圖3：單原子催化劑和對比樣品結構表征

(a)?Pt_?片, H₂PtCl₆, PtO₂, 0.2Pt/m-Al₂O₃-O₂?和 0.2Pt/m-Al₂O₃-H₂的 EXAFS 圖,?(b)?XANES 圖，?(c) 單原子Pt在氧化鋁表面的結構示意圖, (d) FT-EXAFS 曲線圖,?(e) H₂-O₂?滴定曲線圖, (f) CO 吸附的紅外光譜圖, (g) ²⁷Al MAS-NMR 圖, (h) 不同配位鋁含量圖,?(i) 單原子催化劑和對比樣品在可見光和紫外光條件下的照片。

圖4：1,3-丁二烯選擇性加氫和己烷重整催化反應

?(a) 丙烯和丁烯在30 °C和50 °C條件下的選擇性, (b) 在200 °C 條件下加氫反應24 h丁烯選擇性和1,3-丁二烯轉化率,?(c) 反應24h后，丙烯和丁烯在30 °C條件下選擇性, (d) 反應后 HAADF-STEM圖,和(e)?CO 紅外吸附光譜圖, (f) 己烷在400 ^oC 和550 ^oC重整條件下的轉化率, (g) 催化劑在550 ^oC條件下的失活曲線, (h) 在 400 ^oC條件下己烷異構化產物選擇性和 (i) 在 550 ^oC條件下己烷異構化產物選擇性。

圖5：單原子Pt催化劑CO氧化反應

(a)從100°C到400 °C條件下CO氧化轉化率(50個循環), (b) 在400 °C維持氧化反應?220 h, (c) 另外從100°C到400 °C條件下CO轉化率(10個循環), (d) 然后在230 °C條件下反應70 h,?(e)CO氧化反應后催化劑的紅外吸收光譜圖, (f) EXAFS 圖, (g) 從100°C到400 °C商業催化劑第1和第10個循環條件下CO轉化率。

【總結】

該成果通過不飽和五配位鋁在介孔氧化鋁上獲得了熱穩定的單原子鉑催化劑，使其在氫氣氣氛和高溫條件下保持穩定的單原子狀態。并且該催化劑表現出高的1,3-丁二烯選擇性加氫，己烷重整和CO氧化活性。

本文合作作者為博士生張斌，博士后張佳光，及Zhu Yihan, Asakura Hiroyuki和Zhou Maoxiang，第一作者為工程師張在磊，現為中科院北京納米能源與系統研究所助理研究員。

文獻連接：Thermally stable single atom Pt/m-Al₂O₃?for selective hydrogenation and CO oxidation（Nature Communications, 2017, 8, 16100. DOI: 10.1038/ncomms16100）

本文由張在磊投稿，特此感謝！材料人編輯整理。

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