Pt1Co1/CeO2双金属单原子催化剂：协同效应提升苯催化氧化效率及水硫耐受性研究

推荐语 本研究针对挥发性有机物（VOCs）催化氧化中贵金属催化剂成本高、易失活及水硫耐受性差的问题，设计了一种Pt1Co1/CeO2双金属单原子催化剂（SAC）。通过缺陷位点锚定Pt-Co单原子，实现协同催化效应，显著提升苯氧化效率（T90=200°C）及水硫耐受性，为工业VOCs治理提供了高效稳定的催化解决方案。

　　

论文解读

研究背景与意义
大气污染治理中，挥发性有机物（VOCs）是臭氧和PM_2.5的关键前体，其高效消除迫在眉睫。传统铂（Pt）基催化剂虽活性优异，但面临贵金属利用率低、水硫毒化（如SO₂和H₂O竞争吸附）及热稳定性不足等瓶颈。单原子催化剂（SAC）因其最大化原子利用率备受关注，但单一活性位点难以突破多步反应的线性吸附限制。如何通过双金属协同设计同时提升催化活性与耐受性，成为领域内亟待解决的难题。

研究设计与方法
中国科学院团队通过软模板法合成多级孔CeO₂纳米球载体，采用浸渍法构建Pt₁Co₁/CeO₂双金属单原子催化剂。结合HAADF-STEM（高角环形暗场扫描透射电镜）、XAS（X射线吸收光谱）等技术证实Pt-Co单原子锚定于CeO₂缺陷位点；通过原位DRIFTS（漫反射傅里叶变换红外光谱）和DFT（密度泛函理论）计算揭示协同机制；利用SO₂预处理策略增强水耐受性。

研究结果

1. 物理性质与结构表征
多孔CeO₂载体（源自Ce-MOF煅烧）提供丰富缺陷位点，有效分散Pt-Co单原子（图1a）。HAADF-STEM显示原子级分散的Pt₁和Co₁（图1d），XANES证实Pt价态接近+2、Co为+3（图2c-d），表明电子相互作用。

2. Pt-Co协同催化效应
Pt₁Co₁/CeO₂的苯氧化活性（T₉₀=200°C）显著优于单金属SAC。DFT表明Co引入优化Pt的d轨道电子分布，促进O₂解离（能垒降低0.3 eV）和苯吸附（吸附能提升1.8倍）。原位实验证实反应遵循Mars-van Krevelen机制：表面吸附氧（O^*）与晶格氧（O_lattice）共同参与。

3. 水硫耐受性机制
SO₂处理后，H₂O促进不稳定硫物种转化为硫酸盐（SO₄^2?），增强表面酸性。DFT显示适量SO₄^2?可抑制H₂O在活性位点的竞争吸附，同时诱导氧空位形成，协同提升抗水性（图5f）。

结论与展望
该研究创新性提出Pt₁Co₁/CeO₂双金属SAC设计策略，通过原子级协同效应实现高效VOCs氧化与耐受性提升。SO₂预处理策略为工业催化剂抗毒化提供了新思路。未来可拓展至其他双金属体系（如Pd-Fe、Ru-Mn）及复杂VOCs（如甲苯、甲醛）的协同消除研究。论文发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》，为环境催化领域提供了理论范式与技术参考。