单原子Zr促进剂提升CeO2负载Pt催化剂的氧活化性能及其在低温氧化反应中的应用

研究人员通过原子捕获法合成单原子Zr掺杂的CeO2载体（Zr1-CeO2），构建了不对称Zr1-O-Pt1结构，显著增强了表面晶格氧和化学吸附氧的活化能力。该催化剂在CO、C3H8和C3H6氧化反应中表现出比传统Pt/CeO2更低的T50（转化率达50%的温度），为设计高效单原子促进剂提供了新思路。

　　

在环境催化和化工领域，如何高效活化氧分子（O₂）和表面晶格氧是提升氧化反应性能的关键挑战。尽管铂族金属（PGM）催化剂活性优异，但其高成本制约了大规模应用。传统策略通过调控金属-载体界面或掺杂金属物种来增强氧活化，但单原子促进剂对双类型氧（分子氧与晶格氧）的协同激活机制尚未阐明。

针对这一科学问题，中国科学技术大学的研究团队在《Nature Communications》发表了创新性研究。他们采用原子捕获法将单原子Zr（Zr₁）嵌入CeO₂晶格，构建了Pt/Zr₁-CeO₂催化剂，发现其通过形成不对称Zr₁-O-Pt₁结构，使CO、丙烷和丙烯氧化的T₅₀分别降低23°C、108°C和42°C，周转频率（TOF）提升4倍。这项研究为单原子促进剂设计提供了原子尺度新见解。

关键技术方法包括：1）原子捕获法合成单原子Zr掺杂CeO₂；2）X射线吸收光谱（XAS）解析Zr/Pt配位环境；3）原位漫反射红外傅里叶变换光谱（DRIFTS）追踪CO吸附动力学；4）密度泛函理论（DFT）计算氧空位形成能；5）H₂程序升温还原（H₂-TPR）评估氧化还原性能。

催化剂表征

通过Zr K-edge EXAFS证实Zr₁-CeO₂中Zr为单分散态（配位数4.56±0.67），区别于ZrO₂团簇的8配位结构。

显示Pt L₃-edge XANES表明Pt呈氧化态单原子分散，与PtO₂光谱特征相似。

催化性能

Pt/Zr₁-CeO₂在CO氧化中T₅₀为264°C，表观活化能（E_a）较Pt/CeO₂降低15%。动力学实验显示其TOF提升源于氧活化增强而非氧空位浓度增加。

机理研究

原位DRIFTS发现Zr邻近的Pt位点CO吸附更强（2086 cm^-1峰），消耗速率提高2倍。

显示H₂-TPR中Pt-O-Ce还原峰向低温移动15°C，证实Zr削弱了Pt-O键。DFT计算表明Zr-O-Pt构型使氧空位形成能降低1.5 eV，因Zr 4d-Pt 5d耦合抬高了Pt d带中心，促进电子转移。

该研究揭示了单原子Zr通过电子效应和几何效应双重调控，突破传统催化剂设计局限。其创新性体现在：1）首次证实单原子促进剂可协同激活分子氧与晶格氧；2）建立Zr-O-Pt活性中心动态作用模型；3）为PGM催化剂减量使用提供新策略。这项工作对大气污染物治理和化工过程优化具有重要指导意义。