JACS: Pt/CeO2中纳米Pt可控转化为单原子,促进CO高效氧化

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将金属纳米粒子转化为单原子(纳米粒子的单原子化)是近年来研究的热点,其目的是最大限度地提高贵金属基催化剂的金属利用率,并使团聚金属催化剂的活性得到再生。然而,精确控制单原子化反应以优化催化性能仍然是一个巨大的挑战。
近日,清华大学李亚栋北京师范大学李治南开大学刘锦程等报道了一种激光烧蚀策略,实现对CeO2上Pt纳米颗粒(PtNP)向Pt单原子(Pt1)转化的精确调控。
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由于输入激光能量具有良好的可调性,通过设置不同的激光功率和辐照时间,可以将Pt1与CeO2上总Pt的比例精确控制在0~100%之间。实验结果表明,最优的Pt1PtNP/CeO2-19%催化剂具有大约19%的Pt1和81%的PtNP,比Pt1/CeO2,PtNP/CeO2和其他Pt1PtNP/CeO2催化剂表现出更强的CO氧化活性;并且该催化剂经过七个循环催化试验后结构未发生明显变化,表明其具有优异的催化CO氧化稳定性。
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密度泛函理论(DFT)计算表明,Pt10/CeO2上的速率控制步骤(RDS)是晶格氧第一氧化CO步骤,在相邻掺杂Pt1原子的协助下,晶格氧氧化CO的反应势垒大大降低。具有最稳定Pt-Ov-Cev-d结构的分离Pt1位点难以催化CO氧化;Pt1/CeO2-Ov-Cev的第二CO氧化步骤高达1.91 eV,远高于含PtNP和混合Pt1PtNP的催化剂。
因此,PtNP是CO氧化的主要活性中心,而Pt1改变了CeO2表面晶格氧的化学势,降低了晶格氧氧化CO所需的能垒,从而改善了CO氧化的整体性能。这项工作为纳米粒子向单原子的可控转化提供了一条新的途径,而且有希望在最佳的单原子/纳米粒子组合下对工业废催化剂进行再生。
Controllable Conversion of Platinum Nanoparticles to Single Atoms in Pt/CeO2 by Laser Ablation for Efficient CO Oxidation. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.2c11739