PtIr/TiO2双金属催化剂中铂铱协同效应提升甲烷燃烧活性的机制研究

针对甲烷（CH4）催化燃烧中C–H键活化能高（439 kJ/mol）、低温效率不足的难题，研究人员通过构建PtIr/TiO2双金属催化剂，调控Ptδ+-O-Irδ+界面电子结构，实现CH4完全转化温度（T100）降至370°C，揭示了Ir促进电子转移与稳定部分氧化Ptδ+（0

　　

甲烷作为清洁化石燃料，其高效利用与减排是能源与环境领域的重大挑战。尽管CH₄燃烧释放的能量高于煤炭和石油，但其温室效应潜能（GWP）是CO₂的25倍，未完全燃烧的甲烷排放将加剧气候变化。传统Pd基催化剂虽活性优异，但存在低温效率不足（>400°C）和硫中毒问题，而Pt基催化剂虽成本较低且耐硫，但其活性位点争议（Pt⁰或Pt⁴⁺）和易烧结特性限制了应用。此外，Ir基催化剂对CH₄的低温吸附活化潜力（150 K下C–H键断裂）尚未充分挖掘。针对这些瓶颈，浙江大学的研究团队通过设计PtIr/TiO₂双金属催化剂，系统探究了金属电子结构与催化活性的构效关系，相关成果发表于《Journal of Environmental Sciences》。

研究采用浸渍法合成不同Pt:Ir比例的TiO₂负载催化剂，结合程序升温氧化（TPO）、X射线光电子能谱（XPS）和原位红外光谱（in situ DRIFTS）表征电子状态与表面中间体，辅以密度泛函理论（DFT）计算揭示反应路径。催化性能测试在固定床反应器中以2.5% CH₄/10% O₂/He混合气进行。

催化剂性能评估
Pt_0.5Ir_0.5/TiO₂表现出最优活性，首轮反应后T₁₀₀从400°C降至370°C，较单金属Pt₁/TiO₂（440°C）和Ir₁/TiO₂（410°C）显著提升。循环稳定性测试表明双金属催化剂无活性衰减。

电子结构与活性位点解析
XPS证实Ir引入促使Pt形成部分氧化态Pt^δ+（0<>₁/TiO₂中Pt易过度氧化为Pt²⁺。DFT计算显示Ir的强氧亲和力稳定了Pt^δ+-O-Ir^δ+界面，其电子转移使Pt d带中心上移，促进O₂活化。

反应机制与协同效应
原位DRIFTS捕获到*CH_x、*OCO等中间体，证实Ir负责CH₄吸附活化，Pt加速中间体转化。TPO证明双金属催化剂氧化还原能力增强，活化能降低28%。

该研究创新性提出通过Pt-Ir电子耦合构建动态稳定的Pt^δ+-O-Ir^δ+活性界面，整合Ir的CH₄吸附优势与Pt的中间体转化能力，为低温甲烷催化燃烧提供了原子级设计策略，对实现碳减排目标具有重要应用价值。