第一作者：董晨曦

通讯作者：曲丹教授和孙再成教授

通讯单位：北京工业大学

DOI:10.1002/sstr.202000081

背景介绍

CO作为一种有毒气体广泛存在，比如不充分燃烧的汽车尾气、冶金工业烟气；因而在工业上具有很大的应用价值，同时由于其氧化后生成CO2，其反应简单，可以作为模型反应用于催化反应机理的研究。氧化铈由于其优异的储放氧的能力而被广泛应用于催化氧化催化剂的载体，这主要是由于Ce⁴⁺和Ce³⁺之间容易实现价态的变化，达到氧气分子的吸附，转化以及活化。本文总结了关于铈基催化剂在CO催化氧化上的最新的进展。

主要内容

氧化铈作为载体来构建氧化催化剂主要分为两种类型：负载型和掺杂型。本文的框架结构如下：

负载型催化剂

1.反应机理：负载型催化剂是目前的主流，而且以负载贵金属为主。因此我们首先以负载贵金属为例来介绍CO催化氧化的主要机理：E-R机理、L-H机理和MvK机理。其中：a) E-R机理认为催化剂先吸附和活化一种反应物，该反应物与另一种气体分子直接反应来形成产物。b) L-H机理认为CO和O2同时吸附在催化剂表面，二者都被活化而发生反应形成CO2，这一过程与载体的晶格氧没有关系。c) MvK机理认为CO吸附在催化剂表面，与邻近的晶格氧形成桥键，进而形成CO2, 然后O2分子被吸附在缺陷位从而使CeO2复原。具体的反应机理依然在研究和讨论中。

2.负载贵金属：然后分别总结了近几年在贵金属Au、Pt、Pd催化剂的进展：a) 贵金属Au是最早被发现有催化活性的催化剂之一。其中金的纳米粒子的大小，合成方法和预处理的方式都被详细的研究。人们发现大约在0.5纳米厚的两个原子层的Au10簇具有较好的催化活性，同时发现其催化活性直接与载体中Ce³⁺和氧缺陷之间正相关，因此将催化活性归因于金与载体之间的相互作用。b) 由于金容易团聚形成大的颗粒，因此发展了Pt和Pd催化剂。人们发现了与金相近的反应机理，但是对于反应活性位点的确定依然存在着争议。

3.负载单原子：近些年随着单原子催化的兴起，在催化氧化方面也逐渐地引入了原子簇以及单原子的催化。其代表性的工作是大化所张涛课题组以及A.K. Dayte课题组的工作。随着颗粒尺寸的降低，其表面能也随之增大，进而使其反应活性增加，对于单原子的价态，最近的研究认为贵金属单原子不是处于零价，而是与氧配位形成正价。

4.负载过渡金属：为了降低成本，近些年来过渡金属合金以及过渡金属氧化物负载在CeO2可以达到催化CO氧化的目的，因而发展出负载过渡金属的催化剂。比如Fe-Cu双金属纳米粒子沉积在CeO2的表面而具有CO氧化的活性，主要是由于Fe的存在使Cu高度分散，Cu⁺是CO的化学吸附位点，与CeO2配合完成CO的氧化过程。

5.晶面的影响：作为催化剂载体所暴露的晶面，他们与催化剂之间的作用也会影响催化剂的性能，因此多个课题组研究了氧化铈晶面对催化性能的影响，对比了CeO2的纳米棒，纳米立方体，和纳米八面体，他们分别暴露CeO2的（110），（100）和（111）晶面；发现反应活性的顺序为纳米棒>纳米立方体>纳米八面体。

掺杂型催化剂

在研究CO催化氧化机理过程中，人们发现催化氧化往往是通过M-O-Ce来实现催化过程，因此杂原子掺杂被开发实现CO催化氧化，因而不同的单一金属、稀土都被用来改善催化性能，甚至多种杂原子共同掺杂，对催化性能的提升均起到了较好的作用。但是目前的贵金属负载型的催化剂具有更高的活性，杂原子掺杂使催化剂的稳定性得到很大的提高。

结论与展望

虽然CeO2基催化剂在CO氧化上已经取得了很大的进展，然而工业化应用中依然面对较多的问题。在实际应用中并不是单一的CO，而是多种气体的混合，特别是水汽和硫对该催化剂的影响还没有彻底解决，还有就是低温催化，如何在低温下实现CO的完全转化依然是这一领域所面临的重要课题。

相关文章发表在Small Stuctures上，第一作者是北京工业大学硕士研究生董晨曦，通讯作者是曲丹教授和孙再成教授。

文献来源

Dong, C., Zong, X., Jiang, W., Niu, L., Liu, Z., Qu, D., Wang, X. and Sun, Z. , Recent Advances of Ceria‐Based Materials in the Oxidation of Carbon Monoxide. Small Struct. 2020, 2000081.

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/sstr.202000081

作者介绍

孙再成，北京工业大学教授，博士生导师。曾获得美国R&D 100 奖，入选中科院“百人计划”，吉林省创新创业人才，北京市高层次人才。中科院优秀研究生导师，光学工程学会全国优博导师，MRS Bulletin，MRS Advances客座编辑。先后承担多项国家自然基金面上项目，吉林省和北京市重点项目等项目。多次组织美国材料研究协会年会（MRS Spring Meeting）的分会，在国际会议上做大会报告和分会邀请报告20余次；主要研究方向为具有可见光响应的光催化体系以及荧光碳点的合成与应用。发表SCI论文120余篇，引用超过9000次，H-index 为46, 其中ESI高被引论文13篇。获得授权中国专利11项，美国专利2项。研究工作曾多次被“中国科学报”报道。

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