更重要的是,SAC可以作为研究电子金属载体相互作用(EMSI)的理想模型,因为它排除了内在的金属效应,包括电子量子尺寸效应以及结构敏感性几何效应。通过调节EMSI来调节SACs的催化性能已经在丙酮氧化、氨硼烷水解脱氢和电催化等几种应用中显示出巨大的优势。
此外,通过理论计算预测,具有不同锚定位置的SAC在金属-载体相互作用中将表现出显著的变化,从而导致WGSR的不同催化性能。然而,目前仍缺乏实验数据来理解WGSR中EMSI和SAC催化效率之间的相互关系,这限制了有效的WGSR催化剂的开发。 基于此,中国科学院环境材料与污染控制技术研究中心郝郑平、蒋国霞和黎刚刚等用原子层沉积(ALD)技术制备了一系列具有不同金属载体界面的Pt1/CeO2催化剂。随着ALD循环次数的变化,Pt原子被加载到CeO2表面的不同(有缺陷或完美)位置,从而实现了根据Pt单原子的位置和配位结构对Pt1/CeO2催化剂的EMSI进行了定制。实验结果和理论计算表明,两个ALD循环后得到的PtCe-2催化剂具有高的Pt-O配位数(Pt1和5个氧配位,CN=4.4),表现出更强的EMSI。这使得催化剂表面具有适当的CO吸附能,促进了*CO的转移和过渡态的形成,最终增强了在WGSR中的催化活性。 性能测试结果显示,PtCe-2催化剂(28 kJ mol-1)的表观活化能(Ea)低于PtCe-4 (41kJ mol-1)和PtCe-6 (52kJ mol-1);并且PtCe-2催化剂在250 °C的产氢速率比PtCe-4和PtCe-6分别高出约1.9和2.4倍。此外,催化剂在250 °C、75000 mL h-1gcat-1的高气时空速(GHSV)条件下的耐久性。PtCe-2在28小时内的反应速率超过2600 μmolCO gPt-1 s-1,反应过程中活性没有降低。经过稳定性测试后,催化剂的Pt仍然保留单原子结构,显示出优异的反应稳定性。
综上,该项研究表明,原子位置和配位环境的精确控制可以调节SAC的EMSI,从而极大地提高SAC的催化性能,为合理设计高效单原子催化剂提供了新的思路。
Tailoring the electronic metal-support interaction of single-atom platinum catalysts for boosting water-gas shift reaction. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202415774