纳米线工程构建热稳定氧化物-金属逆催化剂及其催化增强效应

《Catalysis Today》：Catalytic Enhancement on Nanowire-Engineered Thermally Stable Oxide-Metal Inverse Catalysts

本文通过纳米转印技术将Co3O4、CeO2和TiO2氧化物纳米线精准构筑于铂薄膜表面，形成结构明确的氧化物-金属界面。该逆催化剂设计显著提升了催化活性（TOF），并通过近边X射线吸收精细结构（NEXAFS）证实其热稳定性与界面协同作用，为高效催化系统提供了新范式。

　　

亮点

氧化物纳米线/Pt逆催化剂的制备

为在Pt薄膜上构建形态明确的氧化物-金属界面，我们采用纳米转印技术（T-nTP），通过均匀加热和压力将垂直排列的氧化物纳米线精确图案化到金属薄膜表面（图1a）。制备的Co₃O₄、CeO₂和TiO₂纳米线/Pt催化剂均展现出高密度、均匀分布的纳米线结构，且与Pt基底形成清晰界面。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，纳米线间距与原始模板一致（约200纳米），证明了该技术对界面结构的精准控制能力。

界面结构与化学状态分析

通过X射线光电子能谱（XPS）和近边X射线吸收精细结构（NEXAFS）对界面化学状态进行表征。结果显示，Pt薄膜的电子结构在纳米线沉积后未发生显著改变，而氧化物纳米线表面的氧空位浓度与金属-氧化物电荷转移程度因氧化物种类而异。例如，CeO₂纳米线界面处观察到明显的Pt→CeO₂电子转移，而TiO₂界面则呈现更强的金属-载体相互作用（SMSI）特征。这些差异直接影响了后续催化反应中的氧活化能力。

CO氧化反应中的催化性能

在CO氧化反应中，所有氧化物纳米线/Pt催化剂均表现出比纯Pt薄膜更高的转化频率（TOF），其中CeO₂/Pt体系的TOF提升最为显著（约3.5倍）。动力学分析表明，界面处的晶格氧迁移率与氧空位生成能力是增强活性的关键。此外，反应后催化剂的SEM和NEXAFS数据证实，纳米线形态与界面结构在高温反应中保持稳定，未出现扩散或烧结现象，凸显了逆催化剂设计对结构完整性的保护作用。

结论

本研究通过纳米线工程成功构建了热稳定的氧化物-金属逆催化剂，并揭示了界面组成对催化性能的调控规律。该策略为设计高效、耐用的多相催化系统提供了新思路。