Small:晶面诱导制备Pd单原子催化剂用于CO低温催化氧化

单原子催化剂含有原子级分散的金属位点并与载体密切相互作用,被广泛用于催化氧化、水解制氢和催化加氢反应。由于在金属位点上进行催化氧化反应,而载体位点用于稳定界面上的氧气,因此单原子催化剂的性能关键在于调控金属-载体之间的界面,其主要由高度分散的单原子浓度的变化决定。理解金属-载体相互作用的现象是制备单原子催化剂的关键。自20世纪70年代发现金属-载体相互作用以来,催化剂在界面上的性能提升一直受到关注。金属与载体之间的强相互作用可导致载体向金属间的传质和电荷转移,从而显著提高催化剂的活性和稳定性。然而,对单原子催化剂,只有非常有限的文献报道描述了载体和单个原子之间的相互作用,因为金属物种的尺寸被最小化,因此,提高单原子催化剂活性的唯一方法是选择特定的且会影响整个催化剂的使用以及化学和电子状态的载体。虽然目前单原子催化剂可以获得优异的活性,但基于普通的纳米颗粒载体负载的单原子催化剂通常存在流动性和团聚等限制,且对载体的结构和组成控制不佳。

浙江工业大学膜分离与水科学技术研究院张国亮教授课题组针对以上国际难题,采用晶面诱导原子捕获法通过金属氧化物纳米阵列精确控制金属-载体界面来设计和合成非均相单原子催化剂。CoxOy纳米阵列的结构和组成可精确控制,其中暴露{112}面的CoxOy-I和CoxOy-B载体可通过丰富的氧空位来捕获单原子,并形成两种具有高催化性能的配位结构,工业应用潜力巨大。相关结果发表在Small(DOI:10.1002/smll.202002071)上。

研究中选择碳纤维作为诱导CoxOy纳米阵列生长的基底。通过改进的水解反应,使氢氧化钴碳酸盐水合物作为前驱体生长,随后转变为四种形式不同的,具有良好的均匀性,规则排列和组成可控的钴基纳米阵列载体。之后采用了改进湿润浸渍法将Pd沉积到CoxOy纳米阵列中制备单原子催化剂。特定晶面的钴基纳米阵列可以通过氧空位捕获Pd单原子,通过锚固作用稳定钴载体高指数{112}面上的高价Pd原子并形成Pd-O-Co键,产生强的金属-载体界面相互作用,可以显著消除原子团聚和催化失活的问题。所合成的Pd单原子催化剂具有非常高的活性和稳定性。这种晶面诱导原子捕获策略不仅可以扩展到其它各种基于结构化阵列的高稳定性单原子催化剂的制备,而且可以通过金属-载体界面材料的巧妙设计和精准调控来大大提升其催化氧化性能、实现其在多领域的广泛应用。