Small Methods: 异核双原子催化剂在催化CO氧化方面优于同核双原子催化剂

低(常)温CO氧化具有重要的工业应用价值,在诸多实际过程如空气净化、汽车尾气污染等领域被广泛应用。贵金属纳米粒子对CO 氧化显示了良好的性能,金属氧化物负载的金纳米粒子甚至可以在100K的低温下表现出很高的催化活性。 但是,贵金属纳米粒子催化CO氧化的转化率不够高,实验上合成大小和形貌均一的纳米颗粒还很困难,而贵金属本身成本高昂。因而,开发低成本高效的低(常)温CO氧化催化剂具有重要意义。

2011年大连化物所的张涛教授,清华大学的李隽教授,美国亚利桑那州立大学刘景月教授带领的团队在国际上首次提出了“单原子催化”的概念,他们开发的单原子Pt/FeOx催化剂对CO氧化和CO选择性氧化反应都表现出很高的催化活性和稳定性(Nature Chemistry, 2011, 3, 634)。相对于传统的纳米催化剂,单原子催化剂可以最大限度的利用每一个金属原子作为活性位点,活性位点均一。 单原子催化剂概念提出后,受到了国际广泛关注,单原子催化迅速成为催化领域的研究前沿。

双原子催化剂是单原子催化剂的扩展。 在双原子催化剂中,金属原子二聚体负载在衬底上。目前实验上和理论上研究的双原子催化剂集中在同核金属原子二聚体,而原则上,不同的两个金属原子会组成更多的异核双原子催化剂。与同核金属双原子催化剂相比,异核金属双原子催化剂是否有可能具有更优良的催化性能?如果有,根源来自哪里?

近日,内蒙古大学李锋钰研究员和波多黎各大学陈中方教授合作组系统的对比考察了异核双原子催化剂Fe1Cu1@C2N 与其相应的同核双原子催化剂 (Fe2@C2N和Cu2@C2N)对CO氧化的催化性能。相对于同核双原子体系Fe2@C2N和Cu2@C2N,异核双原子体系Fe1Cu1@C2N对CO氧化反应具有更优越的催化性能:Fe2@C2N对O2和O具有极强的吸附而不利于CO2的形成;尽管Cu2@C2N具有很低的反应能垒,但是对CO的吸附强度要远大于O2,说明该同核双原子催化剂容易发生CO中毒进而失去催化活性;相对于Cu2@C2N,Fe1Cu1@C2N上O2的吸附能略大于CO,并且在CO先吸附和过量吸附 (2个CO先吸附) 的情况下,O2都能与之反应生成CO2。异核双原子体系Fe1Cu1@C2N催化活性的提高是因为两个不同的金属原子可以相互协同,更有效的调节d带中心位置,使反应物或者中间体与催化活性位点的相互作用得以优化。

本工作将广泛研究的单原子催化剂拓展到异核双原子催化剂,为开发新型催化剂提供一个新思路。 考虑到异核双金属原子组合的多样性,我们期待更多的异核双金属原子体系被开发出来。

该论文“1+1ʹ > 2: Heteronuclear Bi-atom Catalyst Outperforms Its Homonuclear Counterparts for CO Oxidation ”在线发表在Small Methods (https://doi.org/10.1002/smtd.201800480) sdlocked0 Me

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