Nature Communications: 热稳定Pt/m-Al2O3单原子催化剂用于选择性加氢和CO氧化

【引言】

由于全球金属元素的持续消耗，在未来50年内将有约22种元素面临短缺问题，特别是广泛用于催化反应的贵金属铂。制备单原子催化剂，可以更加有效的利用金属元素，有望解决这一问题。但是大量的催化反应是在高温或氢气气氛下进行，并且单原子催化剂在高温条件下容易团聚，因此制备高温氢气稳定的单原子催化剂具有重要意义。

【成果简介】

最近，新加坡国立大学的颜宁教授(通讯作者)和中科院大连化物所的张涛院士、王爱琴研究员，阿卜杜拉国王科技大学Han Yu教授、日本京都大学Tanaka Tsunehiro教授合作在介孔氧化铝上制备了热稳性单原子Pt催化剂。由于单原子Pt稳定嵌入在不饱和五配位铝上，使其具有更高的热稳定性。200 °C下1,3-丁二烯选择性加氢24 h；550 °C条件下己烷重整48 h；100 ^oC-400 ^oC条件下CO氧化反应1个月后，该催化剂仍然可以保持单原子状态。

【图文导读】

图1： Pt/m-Al₂O₃ 单原子催化剂合成示意图

图2：单原子Pt催化剂结构表征

(a,b) 0.2Pt/m-Al₂O₃-H₂ 单原子催化剂TEM图, (c) TEM-EDS 元素扫描图, (d) HAADF-STEM图, (e) 532个单原子之间最近距离分布图，0.2Pt/m-Al₂O₃-O₂单原子催化剂(f) HAADF-STEM 图, (g,h) 单原子线扫面图。 
图3：单原子催化剂和对比样品结构表征

(a) Pt 片, H₂PtCl₆, PtO₂, 0.2Pt/m-Al₂O₃-O₂ 和 0.2Pt/m-Al₂O₃-H₂的 EXAFS 图, (b) XANES 图， (c) 单原子Pt在氧化铝表面的结构示意图, (d) FT-EXAFS 曲线图, (e) H₂-O₂ 滴定曲线图, (f) CO 吸附的红外光谱图, (g) ²⁷Al MAS-NMR 图, (h) 不同配位铝含量图, (i) 单原子催化剂和对比样品在可见光和紫外光条件下的照片。

图4：1,3-丁二烯选择性加氢和己烷重整催化反应

 (a) 丙烯和丁烯在30 °C和50 °C条件下的选择性, (b) 在200 °C 条件下加氢反应24 h丁烯选择性和1,3-丁二烯转化率, (c) 反应24h后，丙烯和丁烯在30 °C条件下选择性, (d) 反应后 HAADF-STEM图,和(e) CO 红外吸附光谱图, (f) 己烷在400 ^oC 和550 ^oC重整条件下的转化率, (g) 催化剂在550 ^oC条件下的失活曲线, (h) 在 400 ^oC条件下己烷异构化产物选择性和 (i) 在 550 ^oC条件下己烷异构化产物选择性。

图5：单原子Pt催化剂CO氧化反应

(a)从100°C到400 °C条件下CO氧化转化率(50个循环), (b) 在400 °C维持氧化反应 220 h, (c) 另外从100°C到400 °C条件下CO转化率(10个循环), (d) 然后在230 °C条件下反应70 h, (e)CO氧化反应后催化剂的红外吸收光谱图, (f) EXAFS 图, (g) 从100°C到400 °C商业催化剂第1和第10个循环条件下CO转化率。

【总结】

该成果通过不饱和五配位铝在介孔氧化铝上获得了热稳定的单原子铂催化剂，使其在氢气气氛和高温条件下保持稳定的单原子状态。并且该催化剂表现出高的1,3-丁二烯选择性加氢，己烷重整和CO氧化活性。

本文合作作者为博士生张斌，博士后张佳光，及Zhu Yihan, Asakura Hiroyuki和Zhou Maoxiang，第一作者为工程师张在磊，现为中科院北京纳米能源与系统研究所助理研究员。

文献连接：Thermally stable single atom Pt/m-Al₂O₃ for selective hydrogenation and CO oxidation（Nature Communications, 2017, 8, 16100. DOI: 10.1038/ncomms16100）

本文由张在磊投稿，特此感谢！材料人编辑整理。

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