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清华大学 环境学院李俊华揭示一氧化碳催化氧化反应中的氧逆溢流界面化学过程
2024/04/09
近日,清华大学环境学院李俊华教授团队在一氧化碳(CO)催化氧化反应中的氧逆溢流研究方面取得新进展,揭示了由CO吸附引发的氧逆溢流界面化学过程。研究成果有助于设计合成新型热、光、电催化材料,用于环境治理与新能源领域。
氧物种的溢流过程在氧化还原反应中至关重要,但与氢溢流相比,氧溢流的机制尚不清晰。该研究针对尾气中的低浓度CO污染物,探究了Pt/TiO2催化剂氧化CO的反应过程。研究结果显示,将Sn掺杂到载体TiO2后激活了低温(<100°C)下Pt/TiO2催化剂中的氧逆溢流过程,显著提升了Pt/TiO2催化剂的CO氧化活性。结合近常压X射线光电子能谱技术(XPS)、原位拉曼/红外光谱和从头算分子动力学模拟,揭示了氧逆溢流过程是由CO在Pt2+位点的吸附引发的Sn-O-Ti键断裂,随后O迁移至活性位点导致Pt4+的生成。
图1. CO氧化活性和稳定性测试
活性测试结果显示,在相同Pt负载下,Pt/Sn0.2Ti0.8O2的CO氧化活性最好,表明Sn掺杂对促进CO低温氧化起着重要作用,且Sn的最佳掺杂量为0.2。此外Pt/Sn0.2Ti0.8O2还具有优异的抗硫能力和耐水性。
图2. Pt/Sn0.2Ti0.8O2、Pt/TiO2-R和Pt/TiO2-A的原位NAP-XPS和原位拉曼光谱
在整个原位NAP-XPS研究中,没有检测到金属Pt物种的峰。经H2预处理后,均只观察到Pt2+,进一步O2处理后,未观察到Pt4+。然而,Pt/Sn0.2Ti0.8O2引入CO + O2会生成Pt4+物种,且Pt4+仅在通入CO时存在。Pt/TiO2-R和Pt/TiO2-A催化剂不存在上述现象。此外,Pt/Sn0.2Ti0.8O2表面Pt2+氧化为Pt4+和CO氧化同时发生,表明晶格氧先转移到Pt位点上,然后再将CO氧化为CO2,即发生了氧逆溢流现象。原位拉曼光谱中的所有峰均为Ti-O的振动,其中只有Pt/Sn0.2Ti0.8O2催化剂在的原位拉曼光谱峰发生了偏移,表明载体中的O配位环境发生改变,侧面证明了氧逆溢流的发生。
图3. Pt/Sn0.2Ti0.8O2和Pt/TiO2-R上CO氧化的DFT模拟
采用密度泛函理论(DFT)模拟研究了Pt/Sn0.2Ti0.8O2和Pt/TiO2-R吸附CO后的电荷密度变化。Pt/Sn0.2Ti0.8O2催化剂吸附CO后Sn-O-Ti中O的电荷密度增加,促使了氧逆溢流的发生,参比样品Pt/TiO2-R催化剂则无上述现象。此外,从头算分子动力学模拟结果也直观地观测到了氧逆溢流过程。
研究成果以“Sn掺杂Pt/TiO2催化剂低温CO氧化反应中由CO吸附触发的氧逆溢流作用”(Reverse Oxygen Spillover Triggered by CO Adsorption on Sn-doped Pt/TiO2for Low-Temperature CO Oxidation)为题在线发表在《自然·通讯》(Nature Communication)上。
论文第一作者为清华大学环境学院陈建军副研究员,论文共同第一作者和共同通讯作者为西南交通大学熊尚超助理教授(清华大学环境学院2021届博士毕业生),论文通讯作者为清华大学环境学院李俊华教授。研究获国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。
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