【催化】高性能Ru(II)/CeO2单原子催化剂用于NO的消除- 大数跨境

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2023-03-19

导读：美国太平洋西北国家实验室的Yong Wang 团队以及索菲亚大学Hristiyan A. Aleksandrov 等人开发了一种更加廉价、原子利用率更好的单原子Ru/CeO2催化剂用于NO的吸附和氧化

空气污染是环境科学和催化领域亟待解决的主要问题之一。空气质量恶化与有毒氮氧化物排放直接相关，其中大部分是由汽车尾气产生的。显然，迫切需要减少发动机的排放，并开发基于更便宜的（贵金属）金属的催化材料来减少氮氧化物，并提高原子经济性。在内燃机后处理系统中，NO氧化对于环境催化是至关重要的，因为NO₂的形成对稀薄NO_x的还原是非常重要的。最好的NO氧化催化剂通常含有少量昂贵的铂和钯贵金属材料（目前铂价格为1000美元/盎司，Pd的价格为2600美元/盎司）。近日，美国太平洋西北国家实验室的Yong Wang 团队（Konstantin Khivantsev和János Szanyi）以及索菲亚大学Hristiyan A. Aleksandrov 等人开发了一种更加廉价、原子利用率更好的单原子Ru/CeO₂催化剂用于NO的吸附和氧化（Ru每摩尔比Pt和Pd便宜约4倍），只需~0.05 wt %的Ru即可获得出色的NO_x存储能力。

图1. Ru₁/CeO₂单原子催化剂催化NO氧化过程示意图。

原子捕获（Atom trapping）策略被认为是合成热高稳定单原子催化剂非常有效的途径之一（Science, 2016, 353, 150-154）。美国太平洋西北国家实验室的Yong Wang团队在该领域做出了非常多的开拓性工作，如Pt₁/CeO₂（Science, 2017, 358, 1419; Nature, 2022, 611, 284; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 26054; JACS Au, 2022, 2, 1651），Pd₁/CeO₂（ACS Catal., 2020, 10, 11356; ACS Catal., 2020, 10, 14304），Rh₁/CeO₂（Angew. Chem. Int. Ed. , 2021, 60, 391; ChemCatChem, 2023, e202201210）Cu₁/CeO₂（ACS Catal., 2022, 12, 13649）。在该项工作中，研究人员利用原子捕获策略合成Ru₁/CeO₂单原子催化剂，标志着该团队将热稳定单原子进一步拓展至Ru₁/CeO₂单原子体系并用于汽车尾气处理过程中。

研究人员结合DFT 计算，原位光谱学以及EXAFs等表征手段进一步阐明了 Ru(II) 离子在二氧化铈表面的精确结构信息，即为在CeO₂（100）晶面上高度分散Ru₁O₅位点，这是一种新型的铈基材料，Ru原子性质与已知的M/CeO₂材料截然不同，这也是其具有高活性的本质原因。此外，结合原位 DRIFTS/质谱实验确定了 NO 储存和氧化的机制，为设计高效的催化剂提供了思路。

图2. (A-F) 表示原位DRFITS光谱实验；(G) 代表优化的NO-Ru-CeO₂结构模型。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是美国太平洋西北国家实验室Konstantin Khivantsev博士。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Single Ru(II) Ions on Ceria as a Highly Active Catalyst for Abatement of NO

Konstantin Khivantsev*, Nicholas R. Jaegers, Hristiyan A. Aleksandrov*, Inhak Song, Xavier Isidro Pereira-Hernandez, Mark H. Engelhard, Jinshu Tian, Linxiao Chen, Debora Motta Meira, Libor Kovarik, Georgi N. Vayssilov, Yong Wang*, and János Szanyi*

J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 5029–5040, DOI: 10.1021/jacs.2c09873

导师介绍

Yong Wang

https://www.x-mol.com/university/faculty/354745