大连化物所实现单原子催化剂中不同单原子物种的定量统计

　　近日，大连化物所催化与新材料研究室（十五室）张涛院士、杨冰副研究员团队，与太原理工王俊文教授、澳大利亚国立大学于丽娟研究员合作，在单原子催化剂动态转化以及不同单原子物种定量统计方面取得新进展。研究表明，可通过惰性和氧化气氛调控单原子催化剂的可逆转化，并实现同一催化剂中不同单原子物种的定性识别与定量统计，统计结果表明仅14.2%的特定单原子物种贡献了高催化活性。

　　2011年张涛等首次提出单原子催化概念以来，单原子催化剂（SACs）由于其特殊的活性、选择性以及原子利用率最大化等特点，逐渐成为催化领域的研究热点。单原子催化剂载体的复杂性导致了单原子配位环境的差异性以及单原子物种的多样性。目前，有大量的工作针对单原子物种的多样性进行了定性研究，然而对于同一单原子催化剂中不同单原子的动态转化调控以及单原子物种的定量描述仍有待进一步探索。

　　杨冰等长期致力于单原子催化剂动态演化与原位电子显微识别研究（Chem，2022；Nat. Commun.，2021；Nat. Catal.，2020），通过前期一系列工作，揭示了气氛环境对单原子、原子簇、纳米颗粒之间动态转化的关键作用，并发展了基于“气氛—金属—载体”三相界面作用的催化剂精准创制策略（ACS Catal.，2023；ACS Catal.，2022；Small Struct., 2022）。

　　在本工作中，研究人员通过氧气和氮气气氛分散方法，制备了两种Pt1/CeO2单原子催化剂；利用原位透射电镜揭示了Pt NPs动态分散至Pt SA的过程，并验证了不同Pt SA的可逆转化。XPS Pt 4f和EXAFS结果证明，两种不同Pt1/CeO2单原子催化剂具有相近的氧化态（~+2.2）和Pt-O配位数（~4.5）。而H2-TPR和XPS Ce 3d 分析结果显示，氮气分散得到的单原子催化剂具有更多的Ce3+以及氧空位（Ov）。

　　研究人员采用DFT对大量不同单原子配位结构进行模拟，并与拉曼光谱对照，确定了催化剂表面主要存在的三种单原子物种及其构型，即Pt1O4-Ce3+-Ov, Pt1O4-Ce4+和Pt1O6-Ce4+；并通过半定量计算，解析两种催化剂中不同单原子物种的统计分布。结果表明，仅占14.2%的Pt1O4-Ce3+-Ov单原子物种贡献了最高的CO氧化活性。该定量方法提供了一种更本征的描述符，反映单原子催化的不均匀性，加深了对单原子催化的理解。

　　相关研究成果以“Reversible transformation and distribution determination of diverse Pt single atom species”为题，于近日发表在JACS上。该工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、我所创新基金等项目支持。（文/图 顾青青、杨冰）

　　文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c12106