Au催化剂室温催化CO氧化
本文介绍了一种以原子级分散的单原子催化剂，开发单原子催化剂是最大化贵金属利用效率、降低贵金属用量的可行途径. 对于CO氧化而言, 目前普遍认为负载Au催化剂具有最高活性. 然而负载Au单原子催化剂是否具有活性仍存争议: 理论计算表明氧化物负载Au单原子催化剂具有很好的活性, 但是缺少实验证据; 目前已有一些氧化物负载Au正价离子催化剂的报道, 结果也都表明Au单原子活性远低于纳米粒子或纳米团簇. 最近本课题组发现氧化铁负载Au单原子不仅具有与Au纳米粒子相当的单位活性位(TOF)活性而且具有更高的单位金属重量(反应速率)活性以及非常高的反应稳定性. 本文将载体拓展到氧化钴, 开发了具有更高活性的氧化钴负载Au单原子催化剂, Au负载量仅为0.05 wt%即可在室温条件下实现CO完全转化.
Co3O4载体用Co(NO3)3与Na2CO3通过共沉淀法制备, 400 oC焙烧. 然后通过简单的沉淀吸附法制备Co3O4负载Au单原子催化剂(Au1/Co3O4),确保Au单原子能够分散于载体的表面. 具有原子分辨率的球差校正高分辨电镜照片显示Au原子确实以单原子形式分散于载体上. 催化剂在第一个循环中活性并不非常高, 但是在第二个循环中活性提高非常明显, 可以在室温条件下实现CO全转化. 为了弄清楚活性提高的原因, 我们用惰性气体(He)、氧化性气体(5% O2/He)以及还原性气体(5% CO/He)对催化剂进行了热处理, 但是活性提高并不明显. 由此推断催化剂是在第一个循环反应过程中发生了某些变化, 导致活性显著提高. 空白载体实验表明Co3O4载体本身虽然具有反应活性, 但是远不如负载少量Au原子活性高, 表明Au原子或Au原子与载体一起起到高活性的作用. 稳定性研究表明该催化剂在室温条件下容易失活, 但经惰性气体或氧化气体处理后活性可恢复, 表明不是结构性失活而是可逆失活, 说明单原子非常稳定.