一氧化碳（CO）广泛存在于汽车尾气和钢铁行业烧结烟气等化石燃料不完全燃烧的排放尾气中，容易造成大气污染。目前工业上主要使用铂（Pt）基催化剂通过催化氧化来消除CO，但仍然存在负载量较高、低温活性不够好等问题。为了满足未来更严格的排放法规，迫切需要开发廉价的低温CO氧化催化剂。
近期，我校资源化工与材料教育部重点实验室与中国科学院过程所等单位在CO氧化方面的合作研究取得了新进展。
CO在Pt基催化剂上的催化氧化有两种反应机理：Mars-van Krevelen（MvK）机理和Langmuir-Hinshelwood（L-H）机理。通常，MvK机理通过表面晶格氧物种的活化发生在可还原的金属氧化物载体上，L-H机理则是通过共吸附的CO和分子O2发生在催化剂表面上。然而，由于CO在Pt表面的强吸附，活化氧气（O2）变得困难，这使得O2活化成为制约L-H机制发生的关键步骤。引入第二可还原金属或增加氧空位（Ov）含量是促进O2活化的有效办法，但可能导致催化剂失活。为了克服这些挑战，研究人员将Pt单原子和Pt纳米颗粒共同锚定在H2还原的TiO2（TiO2-R）上，使得Pt单原子被Ti包围，表现为具有Pt-Ti金属间单原子合金（ISAA）的独特结构，Pt总体负载量仅为0.15 wt%。与已报道的同类Pt基催化剂相比，该催化剂的CO氧化活性大幅度提高。通过实验结合理论计算，发现Pt纳米颗粒和孤立的Pt原子之间的协同效应能够有效削弱CO和O2的竞争吸附，可同时活化分子氧和表面晶格氧，使得两种反应机理在单一Pt金属上同时发生。该工作对于设计开发高效廉价的低温尾气净化Pt催化剂具有重要意义。该研究工作发表于《Nature Communications》（2024, 15, 6827. https://www.nature.com/articles/s41467-024-50790-3）。中国科学院过程所博士研究生张腾飞和我校资源化工与材料教育部重点实验室郑鹏博士为该论文的共同第一作者，中国科学院过程所为第一完成单位，沈阳化工大学为第二完成单位，中国科学院过程所苏发兵研究员为责任通讯作者。
图1. 催化剂结构和反应机理示意图（左）和CO催化氧化性能对比（右）
