上海高研院在Pt單原子催化劑低溫CO氧化和譜學(xué)聯(lián)用技術(shù)應(yīng)用研究中取得重要進(jìn)展
鉑因高催化活性和熱穩(wěn)定性,被廣泛應(yīng)用于汽車尾氣凈化等領(lǐng)域。單原子分散的鉑催化劑能最大化原子利用率,并降低貴金屬用量,如能解決其活性與穩(wěn)定性問題,將具有廣闊的應(yīng)用前景。
中國科學(xué)院上海高研院光源中心時間分辨組的甘濤博士和李炯研究員利用“缺陷工程調(diào)控”策略,在具有La空位的鈣鈦礦LaFeO?(v-LaFeO?)上成功錨定氧化態(tài)鉑單原子(Pt??)來構(gòu)建高性能催化劑。該催化劑無需還原預(yù)處理,即可實現(xiàn)高效的低溫CO氧化,且具有很好的穩(wěn)定性。研究團(tuán)隊基于上海光源BL11B實驗站搭建了原位吸收譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(in situ XAFS-MS hyphenation techniques)研究平臺。并基于此技術(shù)揭示了該過程的反應(yīng)機制:鉑單原子為反應(yīng)活性中心,v-LaFeO?與Pt原子間的界面配位氧直接參與反應(yīng)。CO與界面氧結(jié)合生成CO?,消耗的氧物種通過O?在Pt位點的解離快速補充。反應(yīng)過程中鉑的配位環(huán)境雖隨氧物種循環(huán)發(fā)生動態(tài)變化,但氧化態(tài)Pt的核心狀態(tài)與高配位結(jié)構(gòu)始終保持,避免了鉑的還原團(tuán)聚或過度氧化鈍化。該研究為Pt單原子催化劑(SACs)在催化氧化反應(yīng)中“活性與穩(wěn)定性難以兼顧”的難題提供了解決方案,同時XAFS-MS聯(lián)用技術(shù)的發(fā)展也為其他催化反應(yīng)的構(gòu)效關(guān)系研究提供了強大助力。相關(guān)研究成果發(fā)表于Journal of the American Chemical Society。該成果是在前期超低貴金屬含量催化劑與廉價催化劑開發(fā)研究(J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 16549-16557; Nat. Commun., 2021, 12, 2741; Appl. Catal. B: Environ. 2019, 257, 117943)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步通過構(gòu)建原子分散的穩(wěn)定活性位點,成功制備出高效且穩(wěn)定的氧化催化劑。

圖1. XAFS-MS聯(lián)用實驗裝置布局

圖2.XAFS-MS聯(lián)用技術(shù)分析反應(yīng)機制
XAFS-MS聯(lián)用技術(shù)可在相同時空維度同步捕獲催化劑的結(jié)構(gòu)演變與活性變化信息,突破傳統(tǒng)研究中結(jié)構(gòu)表征與活性分析分離的瓶頸,為催化反應(yīng)構(gòu)效關(guān)系的深度解析提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。此外,我們在BL11B實驗站進(jìn)一步發(fā)展了時間分辨吸收譜-質(zhì)譜(QXAFS-MS)聯(lián)用技術(shù)(專利號:202422447156.6)。該技術(shù)可以將催化反應(yīng)的構(gòu)效關(guān)系研究精確在百毫秒-秒時間尺度,為更快過程的催化反應(yīng)研究提供了技術(shù)保障。
中國科學(xué)院上海高等研究院為論文第一完成單位。光源中心甘濤博士為論文第一作者,中國科學(xué)院物理研究所陶蕾博士為共同第一作者,光源中心李炯研究員、中國科學(xué)院物理研究所杜世萱研究員和清華大學(xué)李亞棟教授為論文通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金等項目支持。
文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c08521
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