近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心劉洪陽研究員和博士研究生賈志民等，與北京大學教授馬丁、香港科技大學教授王寧、中科院上海應用物理研究所研究員姜政、中科院山西煤炭化學研究所研究員溫曉東等合作，設計出一種錨定在彎曲石墨烯載體（ND@G）上的新型PtFe雙金屬團簇催化劑（0.75Pt0.2Fe/ND@G）。該催化劑由少數幾個Pt原子與鄰近Fe原子鍵合形成原子級分散全暴露PtFe雙金屬團簇，可實現低溫下高效去除氫氣中的CO，并保持100%的CO選擇性。這種全暴露PtFe雙金屬團簇具有最大化的金屬利用率和豐富的Pt-Fe界面活性位點，是目前已報道的具有最高低溫活性速率的催化劑。11月10日，相關研究成果在線發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。 

　　氫氣作為可再生的清潔能源，在滿足日益增長的能源需求和實現凈零碳排放的目標中發揮越來越重要的作用。質子交換膜燃料電池（PEMFC）由于效率高、工作溫度低、無碳排放等優點，被認為是重要的氫利用方法。目前，工業利用碳氫化合物水蒸汽重整和水煤氣變換反應制備的氫氣存在微量CO雜質，同時CO分子會強吸附在PEMFC中鉑電極表面發生CO中毒，導致PEMFC工作效率下降。因此，必須制取高純氫氣用于PEMFC。利用CO優先氧化反應（PROX）即通過在富氫中選擇性地氧化去除CO，這一催化過程被認為是提純氫氣的有效方式。由于PEMFC操作溫度較低，在低溫下PROX反應中實現CO的高效催化氧化仍具有一定挑戰性。前期研究表明，在CO氧化反應中，全暴露Pt團簇催化劑（Pt_n/ND@G）具有優異的低溫氧化活性（ACS Catal. 2022, 12, 9602-9610）。然而，單Pt團簇表面發生反應時存在CO和氧氣競爭吸附，抑制彼此活化，從而影響CO氧化活性，因而通過引入第二組分構建高分散和充分利用的雙金屬界面位點以提高PROX反應的低溫催化性能具有重要意義。 

　　本研究通過在ND@G載體表面引入第二組分原子級分散的Fe，并構建由Pt原子簇與相鄰Fe原子鍵合形成的全暴露PtFe雙金屬團簇，可實現金屬利用率和Pt-Fe界面位點數的共同最大化，進而提高低溫PROX反應的催化性能。全暴露PtFe雙金屬團簇（0.75Pt0.2Fe/ND@G）的電鏡結構表征（圖1）和X射線吸收譜結果（圖2）證明全暴露PtFe雙金屬團簇的精細結構和Pt-Fe鍵的形成。在PROX反應中（圖3a-d），全暴露PtFe團簇在30℃下實現CO完全去除和100%CO選擇性，同時對比Pt/ND@G催化劑和目前已報道的催化劑，全暴露PtFe團簇均表現出最優的低溫氧化活性。此外，在30℃下超過100個小時催化性能仍保持穩定。研究結合原位XPS、CO-DRIFTS實驗和理論計算表明（圖3e-f），全暴露PtFe團簇可實現CO和氧氣的非競爭吸附，同時，充分的Pt-Fe界面位點可以促進不飽和Fe原子的氧氣吸附活化和Pt團簇上的CO吸附，從而快速實現CO氧化反應，獲得優異的催化性能。該工作為設計開發高效穩定的亞納米金屬催化材料提供了新思路。 

　　研究工作得到國家重點研發計劃催化科學專項、國家自然科學基金、遼寧省“興遼英才”計劃、中科院以及上海同步輻射光源、北京同步輻射光源等的支持。 

　　論文鏈接 

圖1.全暴露PtFe雙金屬團簇（0.75Pt0.2Fe/ND@G）的HAADF-STEM表征

圖2.全暴露PtFe雙金屬團簇（0.75Pt0.2Fe/ND@G）的XAFS表征

圖3.全暴露PtFe雙金屬團簇（0.75Pt0.2Fe/ND@G）的PROX反應催化性能以及理論計算研究

圖4.亞納米全暴露PtFe團簇催化CO選擇性氧化示意圖