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第一作者：Ziyi Shui
通讯作者：郝郑平，蒋国霞，黎刚刚
通讯单位：中国科学院大学
文献链接：
DOI: 10.1002/adfm.202415774
摘要
本研究聚焦于异质催化中电子金属-载体相互作用（EMSI）的调控，通过原子层沉积（ALD）技术制备了具有不同局部结构和配位环境的单原子Pt/CeO2催化剂，用于水煤气变换反应（WGSR）。研究发现，经过两次ALD循环制备的PtCe-2催化剂主要包含与五个氧原子配位的Pt1（Pt5c），而PtCe-6催化剂主要由Pt3c构型主导。在250°C下，PtCe-2催化剂的产氢速率是PtCe-6的约2.4倍。结合实验和理论研究表明，原子位置诱导的强EMSI减弱了Pt5c上CO的吸附强度，从而降低了CO转化关键中间步骤的能量障碍。本研究阐明了EMSI在WGSR中的作用，并为高效单原子催化剂的合理设计提供了新见解。
研究成果
中国科学院环境材料与污染控制技术研究中心郝郑平、蒋国霞和黎刚刚在《Advanced Functional Materials》在发表了题为“Tailoring the Electronic Metal-Support Interaction of Single-Atom Platinum Catalysts for Boosting Water-Gas Shift Reaction”的论文，成功制备了一系列具有不同金属-载体界面的Pt1/CeO2催化剂，通过改变ALD循环次数，调控Pt原子在CeO2表面不同位置的负载。实验表征和密度泛函理论（DFT）模拟结果表明，具有较高Pt-O配位数（CN = 4.4）的PtCe-2催化剂展现出比PtCe-4（CN = 3.5）和PtCe-6（CN = 3.2）更强的EMSI。PtCe-2催化剂在WGSR中表现出卓越的活性，其反应速率在250°C时达到2661 μmolCO gPt−1 s−1。此外，PtCe-2催化剂的产氢速率分别是PtCe-4和PtCe-6催化剂的1.9倍和2.4倍。研究还深入探讨了EMSI与WGSR反应机理之间的构效关系。
论文亮点
1.EMSI的调控：通过改变Pt原子在CeO2表面的位置和配位结构，成功调控了Pt1/CeO2催化剂的EMSI。
2.单原子催化剂的高效应用：PtCe-2催化剂在WGSR中展现出了优异的活性和产氢速率，是PtCe-6催化剂的2.4倍。
3.理论计算与实验相结合：通过DFT模拟与实验结果相结合，深入理解了EMSI对WGSR中CO吸附和转化的影响。
4.原子级别的精确调控：展示了通过精确控制原子位置和配位环境来调节SACs的EMSI，从而极大提升其催化性能的可能性。
图文导读
图 1. PtCe-i 催化剂的合成和形貌。
图 2. PtCe-i 催化剂中 Pt─O─Ce 界面的识别。
图 3. Pt1/CeO2 催化剂的光谱和理论研究。
图 4. PtCe-i 催化剂在 WGSR 中的催化性能。
图 5. 不同 Pt1/CeO2 催化剂在 WGSR 中的反应路径和能量障碍。
图 6. CO 吸附结构的电荷密度差异。
结论
本研究通过改变Pt1/CeO2催化剂中Pt原子的位置和配位结构，成功调控了EMSI，从而改变了Pt1活性位点的d带结构，影响了CO的吸附强度，并最终改变了CO转化的能量障碍。PtCe-2催化剂因其Pt5c构型展现出更强的EMSI，从而在低温WGSR中表现出优越的内在活性。这项工作为通过精确控制原子位置和配位环境来调节SACs的EMSI提供了新的思路，有助于极大提升其催化性能。
作者简介
郝郑平, 中国科学院大学讲席教授、环境材料与污染控制技术研究中心主任、挥发性有机物污染控制材料与技术国家工程实验室主任。杰出青年科学基金获得者(2007)、入选新世纪千百万人才工程国家级(2009)、全国优博学位论文指导教师、Elsevier中国高被引学者。
蒋国霞，中国科学院大学环境材料与污染控制技术研究中心特别研究助理，主要从事酸性气体硫氢资源回收、工业源VOCs检测分析的相关研究。在Appl. Catal. B Environ.、J. Hazard. Mater.、Catal. Sci. Technol等期刊上发表SCI论文14篇，参与环境化学学科前沿与展望（科学出版社）书籍章节的撰写，获得国家自然科学基金青年项目、中科院特别研究助理项目、国科大教师能力提升项目的资助。
黎刚刚，特聘研究助理，现任职于中国科学院大学环境材料与污染控制技术研究中心，主要研究领域为环境功能材料及污染控制应用、催化反应过程与机理研究等，以第一作者或通讯作者身份在Environmental Science & Technology、Advanced Science、ACS Catalysis、Applied Catalysis B: Environmental等期刊上发表SCI论文10余篇。
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