大連化物所等在高分散催化劑研究方面獲進展

　　近期，中科院大連化學物理研究所張濤研究員領導的航天催化與新材料研究組在多年研究高分散催化劑的基礎上，以氧化鐵為載體成功制備出首例具有實用意義的“單原子”鉑催化劑。以一氧化碳氧化和富氫氣氛下一氧化碳選擇氧化為探針反應，證明該單原子催化劑具有非常高的催化活性和穩定性，其催化活性是傳統納米催化劑的2-3倍。該研究結果發表于最近一期的Nature Chemistry，并被CE&N 作為研究亮點報道。

　　負載型鉑催化劑是用途最為廣泛的貴金屬催化劑。全球每年高達50%的鉑產量都用于汽車尾氣凈化系統的三效轉化器。此外，燃料電池電極催化劑、石油化工中的催化重整、以及各種精細化學品的合成都大量依賴于高效的負載型鉑催化劑。但是鉑的資源稀缺性決定了其價格昂貴，同時鉑元素獨特的物理化學性質又決定了其在多種催化反應中的不可替代性。因此，如何提高鉑的原子利用率一直是催化劑制備科學的核心問題之一。

　　傳統的方法是將鉑分散于高比表面積的載體上，但通常只能得到尺寸在1-10納米范圍內的納米粒子。研究催化劑中納米粒子的尺寸效應也多集中在該尺度范圍內。近幾年隨著先進表征技術（如STEM-HAADF, XAFS）和理論計算方法的發展，極大推動了納米催化科學的認識，一些亞納米尺度的催化劑已經被證明具有顯著不同于納米尺度催化劑的性能。金屬分散能夠達到的極限是單原子分散。但在該工作之前，還沒有出現真正具有實用意義的單原子催化劑。這主要是因為單原子具有很高的表面能，在反應條件下極容易與別的原子發生聚集長大。

　　大連化物所張濤研究員帶領的課題組利用氧化鐵和鉑之間的強相互作用，采用簡單的共沉淀法，通過精確調控沉淀條件以及控制鉑的含量，獲得了首個高活性并能在反應條件下穩定存在的單原子鉑催化劑。通過與該所千人計劃入選者劉景月教授（University of Missouri-St Louis, USA）、清華大學李雋教授、美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）Lawrence F. Allard博士, 以及上海同步輻射和北京同步輻射中心合作，證實了在該催化劑上所有的鉑都呈單原子分散狀態，無任何亞納米或納米聚集體存在。理論計算進一步揭示了鉑單原子催化劑的結構和具有高催化活性的原因。

　　“單原子催化”對于從原子水平理解多相催化具有重要意義，同時也為開發低成本高效貴金屬工業催化劑提供了可能。

高分散催化劑研究取得重要進展