在Pt/TiO?催化剂中，具有最佳金属-载体相互作用形式的铂（Pt）簇能够提升一氧化碳（CO）的氧化性能

《Journal of Catalysis》：Pt clusters with optimal metal-support interaction in Pt/TiO 2 catalysts enhance CO oxidation performance

铂钛催化剂表面羟基调控与CO氧化活性关联机制研究。通过调节TiO2表面羟基数量制备了Pt单原子（Pt/TiO2-S）、Pt簇（Pt/TiO2-C）和Pt颗粒（Pt/TiO2-P）催化剂，Pt/TiO2-C在150℃时CO氧化速率达385 μmol/gPt/s，为单原子和颗粒催化剂的4倍和12倍。原位DRIFTS、O2-TPD及拉曼光谱表明适中的Pt-TiO2相互作用促使Pt0和Ptδ+生成，增强CO和O2吸附活化，而单原子Pt因强相互作用抑制CO吸附，颗粒Pt因弱相互作用不利于O2吸附。

　　近年来，随着工业发展和环境污染问题的日益严重，催化氧化技术在处理含有一氧化碳（CO）的废气中发挥着重要作用。CO作为一种常见的工业排放物，主要来源于碳基燃料如焦炭、汽油和煤炭的不完全燃烧，尤其在煤化工和钢铁制造等行业中更为常见。由于其无色、无味且具有急性毒性，CO的高效去除对于减轻环境和健康风险至关重要。在众多废气处理技术中，催化氧化因其在低浓度CO处理中的高效性和经济性而受到广泛关注。

铂（Pt）基催化剂作为典型的贵金属催化剂，因其在低温下的高活性和良好的稳定性而被广泛应用于CO催化氧化领域。然而，贵金属的高昂成本仍然是制约其大规模应用的关键因素。因此，开发低负载量的Pt基催化剂成为当前研究的重点之一。然而，当Pt负载量减少时，Pt物种往往以单原子形式分散在载体表面，这种结构虽然有助于提高催化效率，但也容易导致CO中毒，从而影响催化剂在低温条件下的性能。

为了解决这一问题，研究人员探索了多种策略，包括增加Pt负载量、引入电子促进剂、构建双金属活性位点、优化Pt物种的配位环境以及调控Pt-载体相互作用等。尽管已有诸多研究进展，但对于如何通过调控Pt-载体相互作用来增强CO催化氧化活性的具体机制仍缺乏深入理解。因此，本研究旨在通过调节载体表面羟基（OH）的丰度，构建具有不同Pt结构的催化剂，以揭示Pt-载体相互作用对CO氧化活性的具体影响。

本研究中，我们成功制备了三种具有不同Pt结构的Pt/TiO?催化剂，分别命名为Pt/TiO?-S（主要为单原子Pt）、Pt/TiO?-C（主要为Pt簇）和Pt/TiO?-P（主要为Pt颗粒）。通过调控载体表面羟基的浓度，我们实现了对Pt物种结构的精确控制。实验结果表明，Pt/TiO?-C在150°C下表现出最高的CO氧化反应速率，达到385 μmol/gPt/s，是Pt/TiO?-S的四倍，是Pt/TiO?-P的十二倍。这一结果凸显了Pt簇结构在提升催化活性方面的优势。

进一步的原位漫反射傅里叶变换红外光谱（DRIFTS）、氧气程序升温脱附（O?-TPD）和原位拉曼光谱分析显示，Pt簇与TiO?载体之间存在适度的相互作用，这种相互作用促进了Pt物种在反应过程中形成丰富的Pt?和Ptδ+物种。这些物种的生成有助于CO和O?的吸附与活化，从而显著提升了CO氧化的催化性能。相比之下，单原子Pt与载体之间的强相互作用抑制了CO的吸附，而Pt颗粒与载体之间的弱相互作用则不利于O?的吸附。

本研究不仅为设计高性能的环境催化剂提供了有价值的见解，还通过CO氧化作为探针反应，揭示了不同Pt物种在界面处激活CO和氧气分子的具体机制。这些发现对于理解复杂氧化反应中的催化行为具有重要意义，也为开发具有优异低温性能的低Pt含量催化剂提供了理论支持和技术参考。此外，本研究的结果还表明，通过调控Pt-载体相互作用，可以有效优化催化剂的性能，从而在实际应用中实现更高的效率和更低的成本。

在催化剂的合成过程中，我们采用了一种系统的方法来制备TiO?载体。首先，将5.3克的TiOSO?溶解在40毫升的去离子水中，并在40°C的水浴条件下进行加热。待TiOSO?完全溶解后，将所得清液转移至带有特氟龙衬里的不锈钢高压釜中，并在160°C下加热24小时。加热完成后，将生成的白色固体进行过滤，并用去离子水洗涤四次，最后在80°C下干燥过夜。随后，将干燥后的白色粉末进行高温煅烧，以进一步优化其结构和性能。

通过这种方法，我们能够精确控制载体表面羟基的浓度，从而影响Pt物种的分散状态和结构。对催化剂的结构特征进行了详细分析，结果显示，三种样品的Pt结构和分布存在显著差异。其中，Pt/TiO?-S样品表面主要为单原子Pt，Pt/TiO?-C样品则以Pt簇为主，而Pt/TiO?-P样品则呈现出结晶化的纳米颗粒形态。这些结构特征对催化性能产生了重要影响，特别是Pt簇与载体之间的适度相互作用，为CO和O?的吸附与活化提供了有利条件。

实验结果表明，Pt/TiO?-C样品在低温条件下表现出最佳的催化活性。这可能与Pt簇与TiO?载体之间的相互作用有关，这种相互作用不仅有助于Pt物种在反应过程中的动态变化，还能促进反应物的吸附和活化。相比之下，单原子Pt由于与载体之间的强相互作用，导致其在反应过程中不易被激活，从而影响了催化效率。而Pt颗粒由于与载体之间的弱相互作用，难以有效吸附O?，导致催化性能不佳。

通过本研究，我们进一步验证了Pt-载体相互作用在催化活性中的关键作用。实验中使用的原位DRIFTS、O?-TPD和原位拉曼光谱等技术，为我们提供了关于Pt物种在反应过程中化学状态变化的直观证据。这些技术不仅能够监测反应物的吸附和活化过程，还能揭示催化剂表面的动态变化，从而为理解催化机制提供了重要支持。

此外，本研究的成果对于环境催化领域的应用具有重要意义。随着对污染物处理需求的不断增加，开发高效、经济的催化剂成为当前研究的热点。通过调控Pt-载体相互作用，我们不仅能够提高催化剂的活性，还能降低贵金属的使用量，从而实现更环保和经济的催化方案。这一策略为未来设计新型催化剂提供了新的思路，也为解决当前催化领域面临的挑战提供了可行的解决方案。

本研究的结论表明，通过调节载体表面羟基的浓度，可以有效地构建具有不同Pt结构的催化剂，从而优化其催化性能。Pt/TiO?-C样品在低温条件下表现出优异的催化活性，这为其在实际应用中的推广奠定了基础。同时，本研究揭示了Pt-载体相互作用在催化活性中的具体影响，为理解复杂氧化反应的催化机制提供了新的视角。

综上所述，本研究通过系统地调控Pt/TiO?催化剂的结构，揭示了不同Pt结构对CO氧化活性的影响机制。研究结果表明，Pt簇与TiO?载体之间的适度相互作用是提升催化活性的关键因素。这一发现不仅为设计高性能的环境催化剂提供了理论依据，也为进一步探索复杂氧化反应的催化机制提供了新的思路。未来的研究可以基于本研究的成果，进一步优化催化剂的结构和性能，以满足日益增长的环境治理需求。