作者:熊海峰等 来源:《化学》 发布时间:2021/11/30 21:59:02
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“气相自组装”法合成高热稳定单原子催化剂

 

近日,厦门大学熊海峰团队/福州大学林森/Abhaya Datye/王勇报道了一种合成高热稳定单原子的新方法——“气相自组装”法。

2021年11月29日,该研究以“Vapor-phase self-assembly for generating thermal stability single atom catalysts”为题,发表在Chem上。

单原子催化剂由于其100%的原子利用率和优异的催化性能受到了人们广泛的关注。然而,在实际反应过程中单原子并不稳定,在较低的反应温度下就会发生明显的团聚。之前的研究发现利用CeO2和Fe2O3等载体可以在高温下捕获Pt单原子,然而这种可还原性载体经过高温焙烧后比表面积会严重下降(比表面积:<10m2/g),并不利于商业化应用。因此,发展一种在苛刻反应条件下也具有良好热/水热稳定性且具有高比表面积的单原子催化剂是非常必要的。

熊海峰课题组和林森课题组提出了一种合成热稳定单原子的新方法—“气相自组装”法,可以将Pt单原子稳定在与金属相互作用较弱MgAl2O4(比表面积:~100m2/g)载体上。作者通过向MgAl2O4载体中引入K,经过高温(800 ℃)空气中焙烧,Pt纳米粒子再分散成Pt单原子。通过原位TEM/STEM表征可以明显观察到高温下氧气气氛中Pt/MgAl2O4中纳米粒子逐渐增大,而K修饰的Pt/MgAl2O4中Pt纳米粒子逐渐消失。进一步对AC-STEM结果进行分析,发现这种“气相自组装”法形成的Pt/K/MgAl2O4催化剂中Pt单原子位于MgAl2O4的(111)晶面。

图1:MgAl2O4载体上发生“气相自组装”过程

图2:Pt/MgAl2O4和K修饰的Pt/MgAl2O4在6 mbar的O2气氛中随温度变化的STEM图

图3:AC-STEM图表明Pt单原子稳定在MgAl2O4(111)晶面上

研究团队进一步结合DFT理论计算和动力学模拟来探究Pt单原子在MgAl2O4(111)晶面的结构。发现高温下发生的“自组装”过程中,在(111)晶面形成了稳定的K3O3的结构,能够有效的捕获Pt单原子。并且得到的Pt单原子在高温氧化条件下保持相当高的稳定性。

图4:理论计算和动力学模拟得到最优的Pt SAC的结构

相比于Pt/MgAl2O4和Pt/CeO2 SAC,Pt/K/MgAl2O4在甲烷氧化反应中表现出更好的热稳定性和水热稳定性。

图5:Pt基催化剂在不同条件下甲烷氧化反应中的催化活性和稳定性

该项工作中,作者发展了一种“气相自组装”的合成方法来制备热稳定且高比表面积的Pt单原子催化剂,并探讨了这个方法对其它碱金属,贵金属以及尖晶石结构的普适性。为在弱金属-载体相互作用的载体上制备热稳定和耐水的单原子催化剂提供了新的思路。这种“气相自组装”机制可以用于合成适合高温反应的原子级分散催化剂。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.11.002

 
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