2021年，美国华盛顿州立大学王勇教授，马里兰大学胡良兵教授，新墨西哥大学Abhaya K. Datye等人在《Angewandte Chemie International Edition》上发表了题为“Tailoring the Local Environment of Platinum in Single-Atom Pt1/CeO2 Catalysts for Robust Low-Temperature CO Oxidation”的论文，通过热冲击法（TS）在惰性气氛中以高温快速加热和冷却的方式制备出一种具有不对称Pt1O4配位结构的单原子Pt1/CeO2催化剂。结果表明，与传统的原子捕捉法（AT）相比，该催化剂在低温条件下对CO氧化具有显著的活性提升，50% CO转化温度（T50）由287℃降低至150℃，表现出卓越的低温活性。同时，该催化剂在高温条件下仍保持出色的热稳定性，即使在500℃下进行氧化处理后，其活性基本不受影响。这一结果展示了通过调控单原子铂的局部配位环境，能够显著提升其在工业CO氧化反应中的实际应用潜力。
1.单原子催化剂的潜力与挑战：单原子催化剂（SACs）凭借其极高的原子利用率和卓越的催化性能，在热催化、电催化和光催化领域展现出广阔的应用前景。然而，实现高活性与热稳定性的同时兼顾，依旧是SACs工业应用中的核心挑战。
2.CO氧化的工业重要性：CO氧化作为汽车尾气排放控制中的关键反应，要求催化剂在低温条件下表现出高活性，同时具有良好的抗氧化和热稳定性。然而，现有单原子Pt1/CeO2催化剂在低温下表现出活性不足的缺陷，限制了其在工业领域的实际应用。
3.现有方法的局限性：传统的原子捕获（AT）法虽能制备出热稳定的Pt1/CeO2催化剂，但由于Pt2+在高度对称的Pt1O4构型中过度稳定化，其活性位点难以有效参与低温CO氧化反应。因此，需要通过创新的制备方法实现Pt单原子局部环境的精准调控，以提升催化性能。
【研究方法】
1.催化剂制备策略：通过将四氨铂硝酸盐（TAPN）前驱体负载在CeO2载体表面，并利用热冲击（TS）技术进行短时高温（>1200℃）处理，诱导CeO2表面重构，从而生成具有非对称Pt1O4构型的单原子Pt催化剂。
2.材料表征技术：采用多种先进表征手段，包 括透射电子显微镜（STEM）、X射线吸收光谱（XAS）以及红外漫反射（DRIFTS），对催化剂的原子分散性、电子态以及动态反应行为进行深入分析。
3.催化性能测试：通过CO氧化反应评估催化剂的低温活性及热稳定性，重点考察催化剂的50%转化温度（T50）和循环性能，并结合动力学分析研究催化剂在反应条件下的结构-性能关联。
图1. 用传统原子捕集法（AT）和热冲击法（TS）合成1 wt%的单原子Pt1/CeO2催化剂
【研究结果】
1.局部环境的调控效果：热冲击法生成的Pt1/CeO2催化剂中，Pt单原子呈现非对称的Pt1O4构型，与传统AT法相比，其 Pt²⁺活性位点的过度稳定化问题显著减弱，从而改善了催化性能。
2.显著提升的低温活性：相比于传统AT法制备的催化剂（T50为287℃），TS法制备的催化剂在CO氧化中表现出显著提升的低温活性，T50降至约150℃，实现了更低的起始反应温度。
3.优异的热稳定性：在高温氧化条件下，Pt1/CeO2_TS催化剂仍能保持其催化活性，表现出极强的抗失活能力，这种稳定性源于非对称Pt1O4构型在反应过程中动态生成的部分还原态活性位点（Pt₁ᵟ⁺）。
图2. 不同方法制备的Pt1/CeO2催化剂在CO氧化中的低温活性和热稳定性对比
图3. Pt1/CeO2催化剂在CO氧化中的动态行为及Pt物种的演化分析
【展望】
1.催化剂制备方法的优化：未来可以通过优化热冲击法的工艺参数（如温度和气氛），进一步提高单原子Pt的分散性和稳定性，探索该方法在其他贵金属催化剂中的适用性。
2.结构-性能关系的深入研究：针对Pt单原子在不同反应条件下的动态演化行为，进一步结合理论模拟和实验验证，揭示其独特的结构-性能关联，为单原子催化剂的设计提供理论依据。
3.实际应用的拓展：探索该催化剂在其他工业反应（如甲烷部分氧化、氮氧化物还原）中的性能表现，推动其在清洁能源和环境保护领域的实际应用，以实现更广泛的工业价值。
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