近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)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(xué)教授馬丁、香港科技大學(xué)教授王寧、中科院上海應(yīng)用物理研究所研究員姜政、中科院山西煤炭化學(xué)研究所研究員溫曉東等合作，設(shè)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(shù)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(xiàn)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(guān)研究成果在線發(fā)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(xiàn)凈零碳排放的目標(biāo)中發(fā)揮越來越重要的作用。質(zhì)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(yōu)點，被認(rèn)為是重要的氫利用方法。目前，工業(yè)利用碳?xì)浠衔锼羝卣退簹庾儞Q反應(yīng)制備的氫氣存在微量CO雜質(zhì)，同時CO分子會強吸附在PEMFC中鉑電極表面發(fā)生CO中毒，導(dǎo)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(yōu)先氧化反應(yīng)（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(rèn)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(yīng)中實現(xiàn)CO的高效催化氧化仍具有一定挑戰(zhàn)性。前期研究表明，在CO氧化反應(yīng)中，全暴露Pt團簇催化劑（Pt_n/ND@G）具有優(yōu)異的低溫氧化活性（ACS Catal. 2022, 12, 9602-9610）。然而，單Pt團簇表面發(fā)生反應(yīng)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(gòu)建高分散和充分利用的雙金屬界面位點以提高PROX反應(yīng)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(gòu)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(xiàn)金屬利用率和Pt-Fe界面位點數(shù)的共同最大化，進而提高低溫PROX反應(yīng)的催化性能。全暴露PtFe雙金屬團簇（0.75Pt0.2Fe/ND@G）的電鏡結(jié)構(gòu)表征（圖1）和X射線吸收譜結(jié)果（圖2）證明全暴露PtFe雙金屬團簇的精細(xì)結(jié)構(gòu)和Pt-Fe鍵的形成。在PROX反應(yīng)中（圖3a-d），全暴露PtFe團簇在30℃下實現(xiàn)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(xiàn)出最優(yōu)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(wěn)定。研究結(jié)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(xiàn)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(xiàn)CO氧化反應(yīng)，獲得優(yōu)異的催化性能。該工作為設(shè)計開發(fā)高效穩(wěn)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(fā)計劃催化科學(xué)專項、國家自然科學(xué)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(yīng)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