科學(xué)家提出了單原子催化劑的動態(tài)電荷和氧化態(tài)

汽車廢氣排出的污染物對環(huán)境和公眾健康有害。隨著整體遏制汽車尾氣排放的目標(biāo)，能源署(DOE)頒發(fā)給科學(xué)家挑戰(zhàn)全世界：催化轉(zhuǎn)化90%的臨界污染物(碳?xì)浠衔?，CO 2，NO X等)，汽車尾氣成有害物質(zhì)少在150ºC。然而，基于納米顆粒的非均相催化劑 - 如汽車中使用的三通排氣催化劑 - 在高溫(200至400ºC)下工作效果最佳，因此難以實現(xiàn)150ºC的DOE挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在，來自López集團(tuán)的研究人員已經(jīng)詳細(xì)研究了CeO 2上負(fù)載的Pt單原子的行為 - 研究人員認(rèn)為它將勝過目前用于三效排氣催化劑的 CeO 2上支持的Pt納米顆粒。發(fā)表在Nature Materials上的結(jié)果表明，單原子催化中靜電荷的常見假設(shè)過于簡單。相反，科學(xué)家提出了一種動態(tài)電荷，能夠解釋在二氧化鈰上活化的單鉑原子發(fā)現(xiàn)的獨特反應(yīng)性，這反過來可以進(jìn)行CO氧化，滿足DOE150ºC排放挑戰(zhàn)。

動態(tài)電荷和氧化態(tài)

由于單原子催化領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，科學(xué)家們一直在努力了解單原子催化劑與支持它們的氧化物之間界面的親密行為，希望這些知識能夠調(diào)整其催化活性。來自López集團(tuán)的科學(xué)家將密度泛函理論(DFT)和第一原理分子動力學(xué)(BOMD)相結(jié)合，以闡明界面上究竟發(fā)生了什么。

模擬揭示了亞穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，其中Pt原子具有幾種重疊的氧化態(tài)，允許催化劑從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一種狀態(tài)。這項動態(tài)相互關(guān)聯(lián)的氧化態(tài)是“一個全新的概念”，正如該研究的第一作者Nathan Daelman解釋的那樣。

對于科學(xué)家來說，很明顯動態(tài)行為會影響系統(tǒng)的反應(yīng)性，并且他們第一次能夠解釋三效排氣催化劑在DOE150ºC工作條件下正常運行所需的Pt活化步驟。對于研究人員來說，接下來的步驟將是準(zhǔn)備一個能夠隨溫度預(yù)測催化系統(tǒng)行為的機(jī)制模型。