昆明理工大学Angew: 揭示强金属-载体相互作用形成的原因：金属纳米颗粒锚定机制的差异

邃瞳科学云

2025-04-28

第一作者：Yuxuan Xie, Xiongyi Liang

通讯作者： Kai Li, Ken-ichi Shimizu, Xiao Cheng Zeng, Fei Wang

通讯地址：昆明理工大学，香港城市大学

背景介绍

强金属-载体相互作用（SMSI）在多相催化中具有重要作用，它通常由金属纳米颗粒与载体之间的表面自由能差异引起。SMSI可以导致金属纳米颗粒被载体包裹，从而影响催化剂的活性和选择性。然而，以往的研究通常忽略了金属锚定过程对载体表面性质（如氧空位和羟基含量）的影响，这可能导致对SMSI的误解。

本文亮点

1. 金属锚定行为的差异：文章首次揭示了Pt和Pd原子在TiO₂载体上的锚定行为差异对SMSI的影响。Pt原子更倾向于锚定在氧空位（O_v）上，而Pd原子对O_v位点的偏好较弱，导致Pd催化剂的载体上保留更多的氧空位。

2. SMSI的调控：通过调节金属原子的锚定倾向，可以控制SMSI的程度。文章提出了一种通过预占据缺陷位点来调控SMSI的新方法。

3. 理论与实验相结合：文章通过密度泛函理论（DFT）计算和实验验证，深入探讨了金属原子与载体之间的相互作用机制。

图文解析

图1：展示了不同Pt和Pd负载量的TiO₂催化剂在RWGS反应中的CO₂转化率和CO选择性。结果显示，随着金属负载量的增加，Pt/TiO₂的活性显著提高，而Pd/TiO₂的活性变化不大。

图2：通过STEM图像和EDS线扫描分析了Pt和Pd纳米颗粒在TiO₂载体上的分布。结果显示，Pd纳米颗粒在H₂处理后更容易被TiO₂包裹，而Pt纳米颗粒则相对稳定。

图3：通过EPR和VFTIR光谱分析了Pt和Pd原子在TiO₂载体上的锚定行为。结果显示，Pt原子更倾向于占据氧空位，而Pd原子则更倾向于消耗羟基。

图4：通过DFT计算和AIMD模拟，进一步揭示了Pt和Pd原子在TiO₂载体上的锚定能量和迁移行为。结果显示，Pd原子在TiO₂载体上的迁移能力更强，导致更强的SMSI。

图5：通过XPS、UV-vis光谱和H₂-TPD分析了Pt和Pd/TiO₂催化剂的表面化学性质。结果显示，Pt/TiO₂在H₂处理后表现出更强的H₂解离和溢流能力。

图6：通过Operando IR光谱研究了Pt和Pd/TiO₂催化剂在RWGS反应中的关键中间体形成。结果显示，Pt/TiO₂催化剂在反应中表现出更强的CO₂活化能力。

总结与展望

本研究通过实验和理论计算相结合的方法，揭示了Pt和Pd原子在TiO₂载体上的锚定行为差异对SMSI的影响。Pt原子更倾向于锚定在氧空位上，而Pd原子对氧空位的偏好较弱，导致Pd催化剂的载体上保留更多的氧空位。这种差异导致了Pt和Pd催化剂在RWGS反应中表现出不同的活性和选择性。文章提出了一种通过调节金属原子的锚定倾向来控制SMSI的新方法，为设计高性能催化剂提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索其他金属与载体的组合，以及SMSI在其他反应中的作用。