室温CO氧化对气体净化具有重要意义,但目前仍具有挑战性。Pt基催化剂被认为是CO氧化的优异催化剂,但由于CO在Pt表面强的竞争吸附,导致O2在Pt上的吸附活化较为困难,往往需要较高的反应温度。因此,研究者们通常使用具有氧缺陷的过渡金属氧化物(FeO1-x、CoO1-x、NiO1-x等)负载Pt作为CO氧化催化剂,O2可以在Pt与过渡金属氧化物的界面活化为活性氧并用于CO氧化。然而,这些过渡金属氧化物在氧气中容易被深度氧化,使其难以保持高的催化活性。
本工作中,邓德会团队将“铠甲催化”的概念成功应用在室温CO催化氧化体系中。团队通过合成策略的创新,将Pt纳米颗粒负载在石墨烯封装的CoNi铠甲催化剂(Pt|CoNi)上,利用石墨烯将CoNi纳米颗粒与CO氧化反应中的富氧气氛隔绝,使CoNi合金在反应中保持金属态并防止过度氧化,而CoNi的电子可以穿透石墨烯,进而有效调变了Pt纳米颗粒和石墨烯界面处的电子结构,实现了室温下CO的高效氧化。该催化剂在室温下可实现近100%的CO转化率,其性能远高于Pt/C和Pt/CoNiOx催化剂的性能。实验和理论计算表明,O2可以在Pt-石墨烯封装CoNi纳米颗粒的界面处吸附活化,而CO在Pt纳米颗粒上吸附,不与O2吸附产生竞争,从而有效促进了氧气的活化和后续的CO氧化,并阻止了CO对Pt的中毒。该工作是“铠甲催化”概念的成功拓展,为室温、高效的新型催化氧化催化剂的设计提供了新思路。
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邓德会团队近年来围绕前期在国际上率先提出“铠甲催化”的概念,在铠甲催化剂结构的设计和催化反应调控方面,开展了系统的研究(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)。
相关研究成果以“Electron Penetration Triggering Interface Activity of Pt-graphene for CO Oxidation at Room Temperature”为题,发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上。该工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中科院B类先导专项“功能纳米系统的精准构筑原理与测量”、教育部能源材料化学协同创新中心(2011·iChEM)等项目的支持。
文章链接:https://doi.org/10.1038/s41467-021-26089-y
责任编辑:李暄妍