近日，2020级硕士研究生胡思瑗同学在基于金属有机骨架（MOFs）与原子层沉积（ALD）技术制备贵金属纳米催化剂催化CO氧化领域取得新进展，相关研究成果以“Tailoring the Electronic States of Pt by Atomic Layer Deposition of Al₂O₃ for Enhanced CO oxidation Performance: Experimental and Theoretical Investigations”为题在线发表于《Applied Catalysis B: Environmental》期刊（SCI化学一区top，影响因子=24.319）。据悉，这是本课题组在ACB期刊上发表的第4篇文章。

 

一氧化碳（CO）催化氧化反应是基础研究和工业应用中简单但最重要的反应之一。例如，通过对CO的优先氧化，能够去除质子交换膜燃料电池氢气原料气中的少量CO，这对其应用具有重大意义；在以汽油为燃料的汽车尾气处理中，CO的催化氧化被认为是解决日益严峻的环境问题的关键技术之一。课题组在CO催化氧化领域已经取得了一系列研究进展，尤其是在基于MOFs制备纳米集成催化剂方面积累了大量的构效关系研究经验，近期相关研究成果包括：Small, 2020, 2003597; Advanced Functional Materials, 2019, 29, 1903774; ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2019, 7, 17768; ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 9151; Chemical Engineering Journal, 2020, 397, 125424; iScience, 2020, 23, 101852; Journal of Materials Chemistry A, 2021, 9, 3976; ACS Applied Nano Materials, 2022, 5, 7, 9882; Materials Today Chemistry, 2023, 27, 101295; Catalysis Communications, 2023, 174, 106597; Dalton Transactions, 2023, 52, 3661-3670等。

 

铂（Pt）贵金属及由于其优异的CO催化氧化活性受到了广泛的关注，然而Pt较高的成本限制了其进一步发展，因此需要最大限度地发挥Pt的催化性能。已经有报道证明，通过调控Pt的电子效应并使其达到富电子状态，能够提高其在CO催化氧化中对氧气的亲和力，以此增强催化反应的活性。有鉴于此，本研究通过原子层沉积（ALD）技术沉积Al₂O₃薄膜来调控Pt的电子状态及其尺寸。基于沸石咪唑系金属有机骨架ZIF-67这一牺牲模板，通过控制负载Pt纳米颗粒与ALD-Al₂O₃薄膜的顺序，制备了一系列Co₃O₄-Al₂O₃-Pt多组分催化剂，并将其应用于CO催化氧化反应之中。

 

实验结果表明，与未ALD-Al₂O₃薄膜的Co₃O₄/Pt催化剂相比，通过ALD技术引入Al₂O₃薄膜后的Co₃O₄/Pt/Al₂O₃催化剂具有优异的CO催化反应活性与稳定性，能够在100^oC条件下完全转化CO，并在50小时之内不失活；即便在500^oC退火5小时后，Co₃O₄/Pt/Al₂O₃催化剂依然维持了良好的催化活性。通过X射线光电子能谱、CO化学吸附与密度泛函理论（DFT）计算，研究了Co₃O₄/Pt/Al₂O₃催化剂表面Pt的状态，表明Al₂O₃能够作为电子供体向Pt转移电子，使Co₃O₄/Pt/Al₂O₃催化剂拥有更高含量的零价Pt，这很好地解释了Co₃O₄/Pt/Al₂O₃催化剂为什么拥有更强的氧气亲和力，揭示了其优异活性的来源。进一步地，通过DFT计算与同位素标记实验，研究了Co₃O₄-Al₂O₃-Pt多组分催化剂上CO氧化反应发生时的机理。结果表明，Al₂O₃的引入能够增强Pt对O₂的吸附，降低关键反应步骤所需克服的能垒；室温条件下，Co₃O₄/Pt/Al₂O₃催化剂中的晶格氧贡献了约96%的CO₂生成量（证实了低温条件下MvK主导机制）。本研究为通过ALD技术调节贵金属的电子状态提供了新的见解，并为诸如汽车催化、膜燃料电池等工业应用提供了一种可靠、经济的新型纳米催化剂。

 

本研究工作得到了课题组詹国武老师、蔡东仁老师的悉心指导，参与本研究工作的其他课题组成员包括：黄明真、李静茹、何金鑫、徐凯吉。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122804