科研人員利用“鎧甲催化”概念實現室溫CO高效氧化

近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室二維材料與能源小分子轉化創新特區研究組研究員鄧德會團隊在“鎧甲催化”研究方面取得新進展，該團隊創新地將Pt奈米顆粒負載在石墨烯封裝的CoNi鎧甲催化劑（Pt|CoNi）上，利用CoNi的電子穿透效應對Pt-石墨烯介面處的電子結構精確調控，實現了室溫下CO的高效氧化。

室溫CO氧化對氣體淨化具有重要意義，但目前仍具有挑戰性。Pt基催化劑被認為是CO氧化的優異催化劑，但由於CO在Pt表面強的競爭吸附，導致O₂在Pt上的吸附活化較為困難，往往需要較高的反應溫度。因此，研究者們通常使用具有氧缺陷的過渡金屬氧化物（FeO_1-x、CoO_1-x、NiO_1-x等）負載Pt作為CO氧化催化劑，O₂可以在Pt與過渡金屬氧化物的介面活化為活性氧並用於CO氧化。然而，這些過渡金屬氧化物在氧氣中容易被深度氧化，使其難以保持高的催化活性。

該工作中，科研人員將“鎧甲催化”的概應用在室溫CO催化氧化體系中。透過合成策略的創新，科研人員將Pt奈米顆粒負載在石墨烯封裝的CoNi鎧甲催化劑（Pt|CoNi）上，利用石墨烯將CoNi奈米顆粒與CO氧化反應中的富氧氣氛隔絕，使CoNi合金在反應中保持金屬態並防止過度氧化，而CoNi的電子可以穿透石墨烯，進而有效調變了Pt奈米顆粒和石墨烯介面處的電子結構，實現了室溫下CO的高效氧化。該催化劑在室溫下可實現近100%的CO轉化率，其效能遠高於Pt/C和Pt/CoNiO_x催化劑的效能。實驗和理論計算表明，O₂可以在Pt-石墨烯封裝CoNi奈米顆粒的介面處吸附活化，而CO在Pt奈米顆粒上吸附，不與O₂吸附產生競爭，從而有效促進了氧氣的活化和後續的CO氧化，並阻止了CO對Pt的中毒。該工作是“鎧甲催化”概念的成功拓展，為室溫、高效的新型催化氧化催化劑的設計提供了新思路。

該團隊近年來圍繞前期在國際上率先提出“鎧甲催化”的概念，在鎧甲催化劑結構的設計和催化反應調控方面，開展了系統研究（Angew. Chem. Int. Ed.，2013；Angew. Chem. Int. Ed.，2014；Energy Environ. Sci.，2014；Angew. Chem. Int. Ed.，2015；Nat. Nanotechnol.，2016；Energy Environ. Sci.，2016；Adv. Mater.，2017；Adv. Mater.，2019；Energy Environ. Sci.，2020；Adv. Mater.，2020；Angew. Chem. Int. Ed.，2020）。

相關研究成果以Electron Penetration Triggering Interface Activity of Pt-graphene for CO Oxidation at Room Temperature為題，發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、中科院戰略性先導科技專項（B類）“功能奈米系統的精準構築原理與測量”、教育部能源材料化學協同創新中心等的支援。

大連化物所利用“鎧甲催化”概念實現室溫CO高效氧化

來源：中國科學院大連化學物理研究所