新型催化剂可让燃气引擎的末端排放变得更加清洁环保高效

（图自：Cortland Johnson / PNNL）

厦门大学化工学院熊海峰教授所在的课题组，介绍了在原子捕获修饰载体、进而控制多相催化剂中二维金属 / 金属氧化物的形成和热催化方面取得的重要进展。

与现有技术相比，与单个铂原子结合在一起的氧化钯 (Pd) 催化剂“筏”，有望让天然气引擎的卡车、越野车等设备的动力系统，变得更加清洁、高效和实用。

研究配图 - 1：二维 Pt 筏板的扫透电子显微图像

具体说来是，这种新型催化剂可净化天然气、并使催化过程更耐受水蒸气，从而降低未燃烧完全的甲烷的排放量。

研究配图 - 2：沉积在工程催化剂载体上的一氧化碳反应性 / 能量评估

华盛顿州立大学 Gene & Linda Voiland 化学工程与生物工程学院特聘教授 Yong Wang 表示：“能源效率的提升，必须与后处理技术齐头并进。当前天然气的燃烧利用，在效率上还有进一步提升的空间”。

研究配图 - 3：添加 / 未添加水蒸气时，Pd 基催化剂的甲烷氧化反应性评估。

这项研究汇聚了来自美国、欧盟与中国的合作伙伴，并在华盛顿州立与新墨西哥大学的牵头下开展了相关工作。

研究配图 - 4：原子俘获 / 沉积的 AC-STEM 图像

虽然油改气在美国并不普遍，但中国、伊朗、印度地区却相对常见。由于污染较汽柴油引擎更少，燃气引擎常被用于城市地区的卡车 / 公交汽车，且天然气行业也在通过数千台压缩机将燃气泵送到千家万户。

研究配图 - 5：1Pd/2Pt@CeO₂ 样本的 XAS 光谱

问题在于，发动机工作效率越高、燃烧越清洁，排气温度就越低，对应催化剂的污染物清除效用也就越不理想。更何况未燃烧完全的甲烷是一种强效温室气体（是二氧化碳的 25 倍左右）。

研究配图 - 6：1Pd/2Pt@CeO 2 和（1Pd + 2Pt）/ CeO₂ 催化剂的 XPS 光谱

Yong Wang 教授补充道：水是甲烷燃烧的副产物之一，而传统催化剂在有水存在的情况下表现很是糟糕，结果引发了“燃烧更清洁的燃料 ≠ 污染物去除效果就更优”的矛盾。

研究配图 - 7：金属 Pd / Pd 氧化物上的甲烷氧化 / 水分解的 DFT 模拟

好消息是，与通常使用的由 Pd 氧化物纳米颗粒制成的催化剂相比，新型筏板对水蒸气具有更好的耐受性、同时提升了反应效率。

（来自：Nature Catalysis）

新墨西哥大学化学与生物工程系教授、研究通讯作者之一的 Abhaya K. Datye 表示：

强结合 Pt 可作为添加金属原子的成核位点，借助捕获的 Pt 原子，我们能够证明 Pt 与 Pd 氧化物二维筏板的行程，后者可改变活性相的氧化态与反应性。

我们的理论计算表明，筏不易分解游离水，从而抑制了‘水中毒’在甲烷氧化催化过程中的不利影响。

展望未来，研究人员希望进一步推动催化剂技术，并最终与工业界合作实现商业化应用。

【熊海峰教授课题组热稳定单原子催化剂研究发表于Nature Catalysis】（来自：厦门大学）

近日，化学化工学院熊海峰教授课题组在原子捕获修饰载体进而控制多相催化剂中二维金属/金属氧化物的形成和热催化方面取得重要进展。

相关研究成果以“Engineering catalyst supports to stabilize PdOx two-dimensional rafts for water-tolerant methane oxidation”为题发表于Nature Catalysis (DOI: 10.1038/s41929-021-00680-4)。

对金属颗粒的大小、形貌以及氧化态的精准控制是多相催化剂制备的重要挑战。传统催化剂往往需要高温(> 300℃)煅烧处理，导致金属很难维持沉积时的形貌/尺寸。

熊海峰等基于前期在原子捕获法制备单原子的研究基础上(Science 2016, 353, 150-154；Science 2017, 358, 1419-1423)，用原子分散的Pt对CeO2表面进行改性，并在改性后的载体上沉积Pd，可形成抗H2O中毒和催化剂烧结的二维PdOx筏状结构。

这种PdOx二维筏在CH4完全氧化反应中表现出优异的低温催化活性及耐水性能，抗氧化性能优于普通浸渍法制备的Pd和 Pt-Pd催化剂。

谱学研究表明，二维筏PdOx催化剂优异的耐水性归结于二维筏结构的PdOx与三维PdO颗粒在电子结构及形貌上的不同所致。密度泛函理论计算进一步阐明了水蒸气与二维PdOx筏之间和与PdO颗粒之间相互作用的差异。

这项工作表明，可以通过载体表面预修饰金属单原子，从而改变后续沉积金属的结构和性质，为合理设计和开发多相催化剂提供了新的思路和方法。

熊海峰教授为该论文的共同第一作者和共同通讯作者，厦门大学博士后杜聪聪及博士生李恒宇参与了该工作，美国西北太平洋国家实验室暨华盛顿州立大学王勇教授及美国新墨西哥大学郭华教授和Abhaya Datye教授作为该论文的共同通讯作者。

研究工作得到国家自然科学基金(22072118、2212100020)等资助。