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1研究背景
近年来，随着环境污染和能源危机的日益严峻，催化科学在能源转换和环境保护领域扮演着越来越重要的角色。特别是在CO氧化反应中，作为模型反应，其在汽车尾气处理和工业安全生产中具有重要意义。合金纳米催化剂因其独特的电子和几何效应，在催化活性、选择性和稳定性方面展现出比单金属催化剂更优异的性能。然而，这些纳米催化剂在实际反应条件下可能会发生结构和化学变化，从而影响其“真实”的活性位点。因此，深入理解纳米催化剂在催化反应中的动态行为，对于设计和优化高性能催化剂至关重要。
2成果简介
在这项研究中，研究人员合成了负载在立方和八面体CeO2纳米颗粒上的CuPd纳米催化剂，并评估了它们在CO氧化反应中的性能。研究发现，在反应过程中CuPd经历了原位激活过程，通过原位透射电子显微镜（IL-TEM）方法直接在单粒子水平上跟踪，并通过对环境TEM实验的复现得到了证实。结合原位DRIFTS分析，研究人员将CuPd纳米颗粒在CO氧化激活过程中的相分离与不同的催化性能相关联，为异质催化剂的真实功能原子结构提供了洞见。
3图文导读
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图1：CuPd/CeO2催化剂的表征。(a) 合成的CuPd胶体纳米颗粒的明场TEM图像。(b) CuPd纳米颗粒的XRD图谱。(c) CuPd纳米颗粒的SAED图谱。(d) Cu和Pd的STEM-HAADF图像及对应的EDS mapping。(e, f) 分别为CuPd/CeO2−C和CuPd/CeO2−O的BF-TEM图像。(g) 在CeO2载体上负载并经过退火处理后的CuPd纳米颗粒的HRTEM图像。![]()
图2：CuPd/CeO2催化剂对CO氧化的催化性能。(a) 两种CuPd/CeO2催化剂的CO氧化起始性能。(b) 在100至170°C之间加热和冷却时的性能，显示出“滞后环”。(c) 在140°C下延长激活过程中CuPd/CeO2−O的CO转化性能。(d) 在激活过程前后计算了CuPd/CeO2−C和CuPd/CeO2−O的表观活化能。![]()
图3：在CeO2立方体和八面体上支持的单个CuPd纳米颗粒的原位HRTEM观察。(a) 原位(IL)-HRTEM实验设置的示意图。(b) 测试的CuPd/CeO2催化剂的CO氧化性能曲线，不同反应时间的样品进行了标记。(c-e) HRTEM图像和对应的FFT模式在0、30和180分钟展示了CuPd在CeO2−C上经历CO氧化时的相分离过程。(f) HAADF-STEM图像。(g) 跟踪的CuPd纳米颗粒在180分钟反应后的图像。(h) 模拟的HRTEM图像和相应的原子模型。(i-k) HRTEM图像和对应的FFT模式在0、30和180分钟展示了CuPd在CeO2−C上经历CO氧化时的相分离过程。(l) 相分离行为的差异示意图。![]()
图4：在150°C下，不同气体环境下CeO2-O上支持的CuPd纳米颗粒的AC-ETEM观察。(a) CO气体下的CuPd纳米颗粒的时间分辨HRTEM图像。(b) CO气体下的CuPd纳米颗粒的FFT模式。(c) O2气体下的CuPd纳米颗粒的时间分辨HRTEM图像。(d) O2气体下的CuPd纳米颗粒的FFT模式。(e) CO+O2气体下的CuPd纳米颗粒的时间分辨HRTEM图像。(f) CO+O2气体下的CuPd纳米颗粒的FFT模式。![]()
图5. CuPd/CeO2-立方体和-八面体催化剂的原位CO DRIFTS分析。当温度在1% CO + 20% O2 + 79% Ar气流中从100升至150°C时，记录了CuPd/CeO2-立方体（a）和CuPd/CeO2-立方体（c）的原位DRIFT光谱。在150°C下，CuPd/CeO2-立方体（b）和CuPd/CeO2-立方体（d）在CO气流（2.5% CO + 97.5% Ar）中10分钟的原位DRIFT光谱。4小结
研究人员通过在两种不同形态的CeO2载体（立方体与八面体）上研究CuPd纳米催化剂在CO氧化反应中的激活行为和相关的相分离现象，揭示了在相同反应条件下两种不同载体上CuPd的不同激活结构。通过IL-TEM方法，研究人员识别了立方体载体上的CuPd部分氧化形成Cu2O/CuPd多相纳米颗粒，而八面体载体上的CuPd则是均匀氧化形成CuPdOx相。结合原位TEM-原位DRIFTS分析，研究人员展示了从CuPd分离出的Cu2O相作为氧供体，与CuPdOx相相比，能够更有效地促进CO转化。此外，通过密度泛函理论（DFT）计算，研究人员揭示了CuPd与CeO2之间的界面能是导致CuPd不同相分离过程的原因。这些结果为热催化反应条件下的结构演变提供了直接证据，并强调了双金属纳米催化剂的相分离过程以及CeO2载体对金属-载体纳米催化剂催化性能的影响。
文献：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c13102科学温故QQ群—科研爱好者集中地！（不定期发布讲座通知，分享录制视频）微信群（学术交流/电催化/光催化/理论计算/资源共享/文献互助群；C1化学/生物质/单原子/多孔材料分舵），小编微信：hao-xinghua或alicezhaovip，备注“姓名-单位”。
