負載型金屬催化劑已應用于許多工業(yè)生產，例如Cu-Zn-Al催化劑用于水煤氣變換反應(WGSR)。其中，單原子催化劑(SAC)可以最大限度地提高金屬利用率，并且通常表現出優(yōu)異的催化性能。然而，與金屬納米顆粒(NPs)催化劑相比，SAC也具有局限性，例如，SAC的氧化價態(tài)會對零價金屬位點產生不利影響。基于此，天津大學李新剛和宋松等設計了含有Cu1+和CuNP0雙位點的氧化鋁負載銅催化劑，并通過原位實驗和密度泛函理論(DFT)計算闡明了它們在WGSR中的協(xié)同作用。
研究人員采用溶膠-凝膠法合成了具有Cu2+單原子(Cu12+)靶結構的催化劑前驅體(Cu12+/Al2O3)，Cu12+物質通過還原轉化為Cu1+和CuNP0位點。機理研究表明，Cu1+位點不僅強烈吸附CO并充當CO“池”以增加CuNP0位點周圍的CO濃度，而且抑制CO在CuNP0上的競爭吸附，從而顯著提高WGSR性能。12% Cu1++CuNP0/Al2O3表現出最高的活性，即使在200°C的低溫下也實現了90%的CO轉化率；此外，12% Cu1++CuNP0/Al2O3在225℃下長達100小時的測試中保持了相對穩(wěn)定的催化性能，并且其八次循環(huán)后CO轉化率略有下降，表現出對WGSR具有高活性和穩(wěn)定性。這種具有協(xié)同單原子和金屬納米粒子的銅催化劑的合理設計為探索其他類似的催化劑體系提供了一種范例。Synergistic Effect of Cu+ Single Atoms and Cu Nanoparticles Supported on Alumina Boosting Water-Gas Shift Reaction. Applied Catalysis B: Environmental, 2022. DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.121468
