近日，大連化物所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室二維材料與能源小分子轉(zhuǎn)化創(chuàng)新特區(qū)研究組（05T6組）鄧德會研究員團隊在“鎧甲催化”研究方面取得新進(jìn)展，該團隊創(chuàng)新地將Pt納米顆粒負(fù)載在石墨烯封裝的CoNi鎧甲催化劑（Pt|CoNi）上，利用CoNi的電子穿透效應(yīng)對Pt-石墨烯界面處的電子結(jié)構(gòu)精確調(diào)控，實現(xiàn)了室溫下CO的高效氧化。
室溫CO氧化對氣體凈化具有重要意義，但目前仍具有挑戰(zhàn)性。Pt基催化劑被認(rèn)為是CO氧化的優(yōu)異催化劑，但由于CO在Pt表面強的競爭吸附，導(dǎo)致O2在Pt上的吸附活化較為困難，往往需要較高的反應(yīng)溫度。因此，研究者們通常使用具有氧缺陷的過渡金屬氧化物（FeO1-x、CoO1-x、NiO1-x等）負(fù)載Pt作為CO氧化催化劑，O2可以在Pt與過渡金屬氧化物的界面活化為活性氧并用于CO氧化。然而，這些過渡金屬氧化物在氧氣中容易被深度氧化，使其難以保持高的催化活性。
本工作中，鄧德會團隊將“鎧甲催化”的概念成功應(yīng)用在室溫CO催化氧化體系中。團隊通過合成策略的創(chuàng)新，將Pt納米顆粒負(fù)載在石墨烯封裝的CoNi鎧甲催化劑（Pt|CoNi）上，利用石墨烯將CoNi納米顆粒與CO氧化反應(yīng)中的富氧氣氛隔絕，使CoNi合金在反應(yīng)中保持金屬態(tài)并防止過度氧化，而CoNi的電子可以穿透石墨烯，進(jìn)而有效調(diào)變了Pt納米顆粒和石墨烯界面處的電子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了室溫下CO的高效氧化。該催化劑在室溫下可實現(xiàn)近100%的CO轉(zhuǎn)化率，其性能遠(yuǎn)高于Pt/C和Pt/CoNiOx催化劑的性能。實驗和理論計算表明，O2可以在Pt-石墨烯封裝CoNi納米顆粒的界面處吸附活化，而CO在Pt納米顆粒上吸附，不與O2吸附產(chǎn)生競爭，從而有效促進(jìn)了氧氣的活化和后續(xù)的CO氧化，并阻止了CO對Pt的中毒。該工作是“鎧甲催化”概念的成功拓展，為室溫、高效的新型催化氧化催化劑的設(shè)計提供了新思路。
鄧德會團隊近年來圍繞前期在國際上率先提出“鎧甲催化”的概念，在鎧甲催化劑結(jié)構(gòu)的設(shè)計和催化反應(yīng)調(diào)控方面，開展了系統(tǒng)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）。
相關(guān)研究成果以“Electron Penetration Triggering Interface Activity of Pt-graphene for CO Oxidation at Room Temperature”為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。該工作得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、中科院B類先導(dǎo)專項“功能納米系統(tǒng)的精準(zhǔn)構(gòu)筑原理與測量”、教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心（2011·iChEM）等項目的支持。（文/圖 胡景庭）
文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-26089-y
