城市环境研究所在制备高温稳定贵金属单原子催化剂上取得重要研究进展

文章来源:城市环境研究所  |  发布时间:2020-05-13  |  【打印】 【关闭

  

  随着工业化进程的加快及传统能源不断消耗,复合型大气污染问题日益凸显。挥发性有机物(VOCs)是导致区域性大气臭氧污染、PM2.5污染的重要前体物。因此,从根本上解决大气污染问题,前体物VOCs的污染防治显得至关重要。目前VOCs的控制与治理技术中应用最为广泛的是以催化剂为核心的催化燃烧技术。

    近年来,贵金属单原子催化剂由于其优异的催化活性和较低的经济成本受到了广泛的关注。然而,在高温条件下,具有较高表面自由能的单原子极易发生迁移,形成团簇或者纳米颗粒,使得催化活性降低。探索具有高稳定性的单原子催化剂的制备方法以保持在工业苛刻环境下单原子贵金属催化剂的活性稳定,对该材料实际应用具有十分重要的意义。

    中科院城市环境研究所贾宏鹏团队研究发现,高温诱导载体从Mn3O4到Mn2O3的相变过程,是将其表面单原子Pt物种牢固地限制在载体上的重要前提条件。通过AC-TEM、DRIFTS、XANES、EXAFS、XRD等表征证明,载体重构的过程中表面的Pt原子由Pt2+转化为Pt4+,Pt与载体之间的相互作用得到了极大地提升了。这种合成策略制备的Pt1/R-Mn2O3-5D,在含水汽的空气下(800°C)煅烧5天后,仍保持单原子分散。与此同时,在不会发生重构的载体上负载的Pt单原子会在高温下团聚形成纳米颗粒。研究结果充分表明载体重构对于单原子的稳定起到极为重要的作用。进一步通过梯度H2O2蚀刻,能够将亚表层的单原子Pt暴露出来,从而提升催化活性,在苛刻高温催化环境中表现出优异的CH4催化氧化活性与结构稳定性。在60小时的循环高温稳定性实验中,催化剂活性没有发生劣化,且反应后的催化剂性质没有发生改变。

    该制备方法为成功解决贵金属SACs在高温下的不稳定性问题提供了新的策略。相关成果近期以Temperature‐induced structure reconstruction to prepare thermally stable single‐atom Pt catalyst为题发表于Angewandte Chemie International Edition 。该研究得到了国家自然科学基金、中科院前沿科学重点研究项目、福建省引导性项目等资助。

    

载体重构使得表面Pt维持单原子分散状态(A、B)。载体无重构现象发生导致Pt原子迁移团聚形成大尺寸纳米颗粒(C、D)