近日，我校化工學(xué)院、化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室段學(xué)志教授等采用介觀動(dòng)力學(xué)研究方法，針對(duì)工況條件下鉑-鈷（Pt-Co）雙金屬催化劑活性位結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的難題，揭示了Pt-Co雙金屬催化劑在不同反應(yīng)條件下的界面重構(gòu)現(xiàn)象，以及不同界面位點(diǎn)間的協(xié)同作用并定量其性能影響，為設(shè)計(jì)和優(yōu)化高效Pt基雙金屬催化劑提供了新的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。相關(guān)成果以“Restructuring the interfacial active sites to generalize the volcano curves for platinum-cobalt synergistic catalysis”為題發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications 2024, 15, 8995）上。
Pt催化劑以其卓越的催化特性，在能源轉(zhuǎn)化、環(huán)境治理等領(lǐng)域扮演著舉足輕重的角色。然而，受限于Pt金屬的高昂成本和稀缺資源，科研工作者們一直在尋找更為經(jīng)濟(jì)且高效的替代品，其中Pt基雙金屬催化劑因其出色的催化性能和相對(duì)較低的成本而備受矚目。多年來，盡管研究人員已經(jīng)對(duì)雙金屬界面的化學(xué)組成、形態(tài)結(jié)構(gòu)和電子特性的變化有了深入的了解，但預(yù)測這些變化如何精確調(diào)變Pt基雙金屬催化劑的幾何和電子性質(zhì)，并定量關(guān)聯(lián)其催化性能，仍是科學(xué)界亟待攻克的難題。
圖片說明：Pt基雙金屬催化劑的反應(yīng)性能調(diào)變
針對(duì)Pt-Co雙金屬催化劑，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合多重顯微和光譜表征、多尺度模擬、同位素標(biāo)記和穩(wěn)態(tài)同位素瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析（SSITKA）等技術(shù)，揭示了載體和吸附質(zhì)引起的顆粒結(jié)構(gòu)變化。發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)Pt-C鍵（金屬-載體界面）和Co-O鍵（金屬-吸附質(zhì)界面）的驅(qū)動(dòng)下，隨著Co在Pt催化劑中的摻雜，首先形成富含Pt的合金，并伴有孤立的Co物種；進(jìn)一步，Co偏析到Pt催化劑表面，形成外延的CoOx氧化層和鄰近的Co3O4簇；最終顆粒結(jié)構(gòu)坍塌為無定形的合金。
圖片說明：Pt基雙金屬催化劑結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化
通過進(jìn)一步探究活性位點(diǎn)穩(wěn)定性和相關(guān)反應(yīng)機(jī)理，揭示了不同界面位點(diǎn)間的協(xié)同作用，辨識(shí)了不同反應(yīng)的主控活性位點(diǎn)：在CO氧化過程中，Pt-Co合金與相鄰的Co3O4團(tuán)簇不僅能降低Pt電子密度以弱化CO的吸附，還能提供豐富的晶格氧物種。在氨硼烷水解過程中，Pt-Co合金和外延CoOx覆蓋層分別作為氨硼烷和水活化的活性位點(diǎn)，顯著促進(jìn)了氫氣的生成。在HER反應(yīng)過程中，Pt-Co合金可以避免外延CoOx或相鄰Co3O4簇的空間位阻效應(yīng)，其顆粒內(nèi)的d軌道雜化可顯著降低Pt的d帶中心。這些協(xié)同效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和主控活性位點(diǎn)催化性能的量化，為構(gòu)建與傳統(tǒng)的組分/尺寸依賴火山曲線不同的協(xié)同效應(yīng)依賴火山曲線提供了可能，從而架起雙金屬催化中理論模型和實(shí)驗(yàn)觀察之間的“橋梁”。
該論文的第一作者為華東理工大學(xué)化工學(xué)院陳文堯博士、施堯博士、劉長偉博士以及上海交通大學(xué)任洲宏博士，通訊作者為華東理工大學(xué)化工學(xué)院段學(xué)志教授、化學(xué)與分子工程學(xué)院練成教授、上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院劉晰副教授。該研究得到了袁渭康院士、陳德院士等的悉心指導(dǎo)。此外，該研究還得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國家自然科學(xué)基金、上海市碳中和基礎(chǔ)研究特區(qū)項(xiàng)目、上海市教委科研創(chuàng)新計(jì)劃自然科學(xué)重大項(xiàng)目、上海市科委科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。