钯铜固溶体核壳结构催化剂：低成本高效三效催化剂的突破性设计

针对三效催化剂(TWCs)低温活性不足和高温稳定性差的核心难题，台湾研究团队创新性地设计出Pd-Cu@Ce/H核壳固溶体催化剂。通过CeO2壳层增强三相边界(TPB)，利用Cu溶质调控Pd电子结构，该催化剂在降低20%贵金属用量的同时，使T50温度显著降低，为机动车排放控制提供了兼具成本效益与高性能的解决方案。

　　

论文解读

汽车尾气中的碳氢化合物(HCs)、氮氧化物(NO_x)和一氧化碳(CO)是城市雾霾的主要元凶。尽管三效催化剂(TWCs)能将这些污染物转化为无害物质，但现有技术面临两大瓶颈：冷启动阶段（低于200℃）的"催化死区"，以及高温（可达1000℃）导致的贵金属活性位点烧结。更棘手的是，传统TWCs依赖铂(Pt)、铑(Rh)、钯(Pd)等贵金属，其高昂成本占催化剂总成本的70%以上。如何在降低贵金属用量的同时拓宽工作温度窗口，成为全球环境催化领域亟待突破的难题。

台湾的研究团队在《Applied Surface Science》发表的研究给出了创新解决方案。他们巧妙融合固溶体电子调控与核壳结构优势，设计出Pd₃Cu₁@Ce/H催化剂。该设计使贵金属用量减少20%，制备成本降低16.6%，同时将起燃温度T₅₀显著降低，实现了"降本增效"的双重突破。

研究采用多尺度调控策略：通过多元醇还原法合成Pd-Cu固溶体核心，利用HNTs（埃洛石纳米管）的高热稳定性载体，再包覆CeO₂氧存储材料(OSC)外壳。关键创新在于：1）以Cu溶质改变Pd的d电子排布，形成动态电子补偿机制；2）核壳结构创造丰富的三相边界(TPB)；3）HNTs的Al₂O₃-SiO₂管状结构抑制高温烧结。研究通过系统优化PVP稳定剂用量（4%）、合成温度（170℃）和Pd/Cu比例（3:1），获得最佳性能。

研究结果

催化结构对活性位点的影响
透射电镜显示，传统Pd/H催化剂活性位点严重团聚（粒径50-80nm），而核壳结构的Pd₃Cu₁@Ce/H分散均匀（10-15nm）。经800℃老化处理后，前者颗粒增大至200nm，后者仅增至30nm，证实核壳结构显著提升热稳定性。X射线衍射证实Pd-Cu固溶体形成，晶格常数从Pd的3.89?调整为3.85?，这种晶格应变促进Pd⁴⁺/Cu²⁺活性物种生成。

电子转移机制
X射线光电子能谱揭示关键电子效应：Pd₃Cu₁@Ce/H中Pd 3d_5/2结合能正移0.8eV，表明电子从Pd流向缺电子的Cu；同时Ce 3d谱显示Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对含量比传统催化剂提高37%，证实核壳结构增强氧迁移能力。这种协同作用使CO氧化活性提升3倍，NO还原活化能降低28%。

催化性能测试
在模拟尾气测试中，Pd₃Cu₁@Ce/H的T₅₀（50%转化率温度）较传统Pd催化剂降低45℃（CO）、38℃（C₃H₆）和52℃（NO）。特别在200-400℃低温区，NO转化率提高60%，破解了冷启动难题。加速老化测试表明，经过100小时1000℃处理，其活性仍保持新鲜催化剂的92%，远超行业标准（≥80%）。

结论与意义
该研究开创性地将固溶体电子调控与核壳结构空间限域效应相结合，突破TWCs"低温失活-高温烧结"的矛盾困境。其科学价值体现在三方面：1）阐明Cu溶质诱导的Pd电子重排机制；2）建立核壳结构-三相边界-氧存储能力的定量关系；3）开发HNTs载体在高温催化中的新应用。实际应用中，每辆车可节省16美元催化剂成本，按全球年销8000万辆计算，潜在经济效益达12.8亿美元。这项来自台湾的研究为碳中和目标下的机动车排放控制提供了关键技术支撑。