为了应对日益严重的空气污染以及符合新的排放法规，高效的新型三元催化剂 (TWC) 的设计备受关注。在本文中，作者展示了一种多步加热策略来制造独特的双原子催化剂。该催化剂由位于 CeO₂ 表面相邻位置的强耦合 Pt 和 Pd 原子组成。它们具有出色的三元催化性能，尤其是在 NO的 消除方面。综合研究分析表明，这种增强的催化性能归因于相邻的 Pt 和 Pd 原子之间的强相互作用，它们可以分别作为 CO 和 NO 吸附的活性位点，有效地降低了能垒，并加快了反应速率。这些发现不仅有助于设计和构建下一代催化剂，而且为提高燃油效率和控制排放提供了新的方向。 

　　 背景介绍   

　　空气污染对人类的健康构成了巨大威胁，并引起了广泛的担忧。汽车尾气作为主要污染源之一，其排放必须要受到严格控制。这需要高性能催化剂（三元催化剂three-way catalysts，记为TWCs）将有毒的 CO、碳氢化合物和 NO_x 转化为无毒的CO₂、H₂O和N₂。尽管该领域取得了一些成就，但目前的TWCs仍然存在点燃温度较高、水热稳定性差的问题，无法适用于日益增强的引擎和越来越严格的排放法规。为此，研究人员必须精心调控TWCs的性质，包括成分、尺寸、形状以及金属和载体之间的相互作用，从而找到催化性能提升的优化机制。　　  

　　最近，单原子催化剂（SACs）由于金属原子的分散性和最大化原子利用效率而受到广泛关注，这为降低当前TWCs 的成本铺平了道路。SACs的性质很大程度上取决于中心金属的负载量、价态和配位结构，以及载体的表面态。在SACs领域中，高效合成路线的开发、新型配位形式的创造、结构-性能关系的研究以及潜在应用的探索等方面取得了长足的进步。例如，Wang课题组揭示了具有高金属负载含量的Co SACs，在催化乙苯有氧氧化方面具有突出的性能。然而，以往的报道也指出，TWCs的初级原子化容易通过形成过稳定的M₁O₄中心而导致活性损失。因此，探索一种有效的方法来优化常规原子TWCs以补偿原子化的不利影响，从而实现更具成本效益的应用目标是非常重要的。目前，研究人员已经设计了双位点策略，通过将两种原子定位在相邻位置来实现，可用于提升传统 SACs 的催化性能。这种组合不仅可以有效地保留每种成分的性质，而且还提供了新的机会。例如，Tang 和他的同事发现了一种由 CeO₂ 负载的 Ni₁ 和 Ru₁ 双活性位点，可以实现 CH₄ 干重整的高性能催化体系。作者小组还发明了一种用于苄胺偶联反应的 Co、S 双位点催化剂。这些结果清楚地证明了双原子位点结构的优越性。受到之前的成果启发并考虑到排放污染物的多样性，双位点策略有望升级现有TWCs的性能，然而，相关的合成方法和结构-性能关系的研究仍然很少报道。   

图文解析

图 2. a,b) Pd K-edge (a) 和Pt L-edge (b) 扩展 X 射线吸收精细结构(EXAFS) 光谱的傅里叶变换。c,d) Pt-Pd SAC-1 (c) 和 Pt-Pd SAC-2(d) 的 HAADF-STEM 图像。 

图 3. 制备的Pt-Pd，Pt和Pd SAC催化剂的a，b）NO还原，c，d）CO氧化，和e，f）C₃H₆氧化性能。空速设定为120,000 ml/(g·h)。原料气：1% CO、0.1% C₃H₆、500 ppm NO、1.25% O₂、余量He。   

 

图 4. a,b) Pt-Pd、Pt 和 Pd SAC 催化剂的DRIFT光谱。c) Pt-Pd、Pt-Pt和Pd-Pd双位点结构的反应自由能分布。该反应包括四个步骤，步骤1：NO的吸附；步骤2：CO的吸附；第三步：*CO+*NO→*CO₂+0.5N₂；第4步：解吸CO₂和N₂。（O：红色；Pt：黄色；Pd：青色；Ce：白色；N：蓝色；C：灰色）。

图 5. a,b) Pt-Pd SAC-1 (a) 和 Pt-Pd SAC-2(b) 在 250°C 的长期 TWC 测试。c)Pt-Pd SAC-2 中 Pt 和 Pd 原子的键能、熵和相互距离。d) 不同温度下，Pt-Pd SAC-2中Pt和Pd原子距离的变化。e)Pt-Pd SACs-2在不同温度下的动力学分子结构。Pt：黄色；Pd：青色；O：红色；Ce：银色；N：蓝色；H：白色；C：灰色。 

总结与展望

　　基于上述结果， 本文通过多步加热策略合成了由位于 CeO₂ 表面相邻位置的强耦合 Pt 和 Pd 原子组成的新型双原子催化剂。当作为 TWCs 时，制备的 Pt-Pd SAC-2 具有出色的活性和稳定性。具体而言，在 NO 消除过程中可观察到催化性能显著增强。综合研究分析表明，相邻 Pt 和 Pd 原子之间具有独特的协同效应，可以分别作为 CO 和 NO 吸附的活性位点，并且Pt-Pd 型结构有效地促进了活性过渡态的转移，从而加快反应速度。该双位点策略可能为在广泛的多相催化中提高催化性能铺平了新的道路。 

 文献信息

第一作者：Xuan Zhou

通讯作者：宋术岩，汪啸，施伟东

通讯单位：中国科学院长春应用化学研究所，江苏大学

论文DOI：https://doi.org/10.1002/adma.202201859

转载自：宋术岩团队今日AM：双原子催化剂，助力高性能三元催化！ (qq.com)