Pt/ZnO纳米结构催化剂表面特性对CO氧化活性的调控机制研究

本研究针对Pt催化剂在CO氧化中的低温毒化问题，通过设计非极性ZnO纳米棒与Zn极性纳米金字塔负载不同尺寸（~1.6 nm和~3.2 nm）Pt纳米颗粒，揭示了ZnO表面特性与Pt粒径对活性的协同调控机制。结果表明，小尺寸Pt颗粒在O2-lean条件下活性提升200%，而纳米棒载体因增强CO活化使转化率提高20-40%。该工作为优化Pt/ZnO纳米结构设计提供了新思路。

　　

在汽车尾气净化和燃料电池领域，铂(Pt)催化剂因CO低温毒化导致效率下降的问题长期困扰研究者。尽管高温下Pt具有优异的CO氧化能力，但如何削弱CO抑制、提升低温活性仍是关键挑战。过去的研究表明，TiO₂、CeO₂等氧化物载体的表面取向会显著影响Pt催化性能，但关于ZnO载体表面特性与Pt协同作用的研究仍属空白。中国科学院的研究团队创新性地选择具有明确表面特性的ZnO纳米棒（非极性{10^ˉ10}面）和Zn极性纳米金字塔（{0001}和{10^ˉ1^ˉ}面），通过精确控制Pt纳米颗粒尺寸（1.6 nm和3.2 nm），系统揭示了ZnO表面极性对CO氧化活性的调控规律，相关成果发表在《Applied Catalysis A: General》。

研究采用微波辅助液相还原法合成1.3 nm Pt颗粒，传统还原法制备2.9 nm颗粒，通过浸渍法将其负载于水热合成的ZnO纳米棒和纳米金字塔上。利用TEM/STEM表征材料形貌，DRIFTS分析表面吸附物种，结合固定床反应器评价催化性能，重点考察O₂-lean（1% O₂）和O₂-rich（10% O₂）条件下的CO转化率差异。

Structural and surface characteristics
TEM显示Pt颗粒在载体上分布均匀，粒径从原始胶体的1.3/2.9 nm略微增大至1.6-1.7 nm和3.1-3.2 nm。XPS证实纳米金字塔载体表面为纯Zn²⁺终止，而纳米棒呈现Zn²⁺/O^2-非极性特征。

Discussion
在O₂-lean条件下，1.6 nm Pt/纳米棒催化剂的CO转化率比3.2 nm体系高200%，而纳米棒载体较纳米金字塔仅提升20-40%。DRIFTS表明纳米棒载体能诱导更强的CO吸附活化。O₂-rich环境中粒径效应减弱，说明小尺寸Pt优势源于暴露更多O₂活化位点。

Conclusions
该研究首次阐明ZnO表面极性通过调控Pt电子状态影响CO活化：非极性纳米棒载体促进CO吸附解离，而小尺寸Pt颗粒提供充足O₂活化位点。二者协同作用使CO转化率最高提升200%，为设计抗毒化Pt催化剂提供了纳米结构优化新策略。