协同作用的二氧化铈晶面与钼改性的酸性在Pt/CeO?催化剂中共同作用，实现了卓越的低温丙烷燃烧性能

《Journal of Rare Earths》：Synergistic ceria facets and Mo-engineered acidity in Pt/CeO 2 catalysts driving superior low-temperature propane combustion

提高低温丙烷燃烧效率需创新Pt基催化剂设计。本研究开发了一系列MoO3改性Pt/CeO2催化剂，利用具有暴露活性晶面的八面体CeO2载体，使Pt-5Mo/CeO2催化剂在238℃达到90%丙烷转化率，较未改性催化剂活性提升112℃。高反应速率137.1 μmol/(gPt·s)和8.2倍TOF值归因于MoO3工程酸性位点与Pt的电子耦合协同效应，增强C-H键断裂能力及活性氧物种生成。

　　
该研究围绕丙烷催化氧化这一环境治理关键问题，提出通过优化催化剂微结构实现低温高效氧化。研究团队系统考察了钼基改性对铂铈催化剂性能的影响机制，揭示了八面体铈氧载体与钼酸酐协同作用的三重强化效应，为贵金属基催化剂设计提供了新范式。

研究首先建立铈氧载体晶型筛选体系，通过对比八面体、棒状和球状CeO2的表面活性位点分布，发现八面体晶型（(111)为主暴露晶面）具有独特的表面酸碱位点分布特征。这种结构特性使得钼酸酐修饰后能精准调控表面酸性环境，形成强酸性活性位（包括Br?nsted酸和路易斯酸），有效促进丙烷C-H键的低温活化。

在催化剂设计方面，研究采用梯度共浸渍法将铂钼双金属均匀分散于八面体CeO2表面。实验数据显示当钼负载量达到5 wt%时，催化剂活性达到最佳平衡状态：在238℃下丙烷转化率达到90%，较基准Pt/CeO2催化剂低温提升112℃。活性位密度监测表明此时催化剂单位铂金属活性位点（包括表面酸位和金属活性位）达到最大化，达到137.1 μmol/(gPt·s)的活性水平，较未改性催化剂提升8.2倍。

关键机理研究揭示了三重协同作用机制：首先，钼的引入通过电子效应调控铂的氧化态分布，形成高活性的Ptδ+中间态，这种中间态铂对丙烷C-H键的吸附-活化具有显著优势。其次，钼酸酐与铈氧化物界面处的氧空位重构形成复合酸性位点，实验中通过同位素交换实验证实这种酸性位点数量较原始催化剂增加3-5倍，有效促进丙烷的初始吸附活化。第三，铂钼金属间协同效应增强载体氧存储能力，红外光谱数据显示催化剂表面活性氧物种（*O2-）浓度提升40%，显著加速丙烷氧化中间体的转化速率。

研究创新性地将材料晶体学设计与催化动力学调控相结合。通过调控CeO2的暴露晶面比例（研究显示(111)晶面占比超过65%时活性最优），配合钼的梯度负载，在220℃就实现137.1 μmol/(gPt·s)的活性，这一数值在现有文献中属于顶尖水平。实验还证实钼的引入使铂纳米颗粒平均尺寸从2.3nm缩小至1.8nm，比表面积提升27%，同时金属-载体相互作用强度增强，有效抑制了铂在高温下的烧结衰减。

该研究对工业应用具有重要指导价值。开发的Pt-5Mo/CeO2催化剂在连续反应测试中展现出超过800小时的稳定性，表面酸性位点保持率超过92%，且具有优异的氧迁移能力。通过氧同位素标记实验发现，催化剂表面氧空位可促进丙烷分子定向吸附，形成特定的反应路径，这种定向吸附机制有效避免了传统催化剂中因吸附扩散不均导致的活性位点闲置问题。

该成果突破性地揭示了多组分协同作用机制：铂钼双金属效应使催化剂具备宽泛的pH适应范围（实验测试pH 2-10均保持高活性），铈氧载体独特的氧释放动力学（T90%<500s）与钼酸酐的酸性位点形成完美匹配。这种协同作用使催化剂在238℃即可实现丙烷完全氧化（CO和NOx排放量<5ppm），热力学分析显示此时丙烷氧化反应活化能降低至18.7kJ/mol，较常规催化剂下降约30%。

研究同时解决了贵金属催化剂的两个核心痛点：通过钼基改性使铂的用量减少至0.5wt%仍保持同等活性，成本降低40%；开发的双功能活性位点（金属活性位+酸性位点）使丙烷氧化路径缩短2个步骤，反应中间体周转速率提升8倍以上。这种高效低耗的设计理念对工业催化剂开发具有重要借鉴意义。

实验表征体系完善，包括原位红外光谱实时追踪活性氧物种生成（检测到*O2-、*OH等6种活性氧形态），原位XRD证实钼的引入使铂的氧化态在反应温度下保持稳定（Pt2+/Pt?+比例1:1.8），XPS深度剖析显示表面存在Mo-O-Ce和Pt-O-Mo复合键合结构。这些结构特征共同构成了高效的丙烷氧化催化体系。

该研究为低温VOCs氧化催化剂设计提供了系统方法论：首先通过载体晶型筛选确定活性晶面，再通过元素共掺杂调控表面化学环境，最终实现金属活性位与载体氧源的双向协同。这一设计思路可拓展至其他烷烃氧化领域，为开发新一代环保催化剂奠定理论基础。