原子层沉积法制备缺陷介导Pt/CeO2催化剂中金属-载体相互作用机制及其对丙酮氧化的增强效应

本研究针对挥发性有机物（VOCs）污染控制难题，通过原子层沉积（ALD）技术在MOF衍生CeO2、纳米棒和立方体三种载体上构建Pt/CeO2催化剂，系统揭示了载体缺陷浓度对金属-载体相互作用（MSI）的调控机制。研究发现MOF衍生CeO2（CeO2-M）因富含配位不饱和Ce位点和氧空位，可优化Pt的电子结构与分散度，使催化剂在200°C实现99%丙酮转化率，活化能低至57.9 kJ/mol。该工作为设计高性能氧化催化剂提供了新范式。

　　

随着工业发展，挥发性有机物（VOCs）已成为威胁环境和人体健康的重要污染物。其中，丙酮作为典型VOCs，其高效催化氧化消除技术开发面临巨大挑战——传统催化剂存在活性低、稳定性差等问题。究其根源，金属-载体相互作用（MSI）的调控机制尚未明晰，特别是载体缺陷结构对贵金属活性中心微环境的调控规律缺乏系统研究。

针对这一科学问题，国内研究人员在《Journal of Rare Earths》发表最新成果，创新性地采用原子层沉积（ALD）这一可实现原子级精度调控的技术，在三种形貌CeO₂载体（MOF衍生CeO₂-M、纳米棒CeO₂-N和立方体CeO₂-C）上构建Pt催化剂体系。通过多尺度表征与性能测试，首次阐明载体缺陷介导的MSI增强机制：CeO₂-M因其独特的配位不饱和Ce位点和氧空位网络，不仅提升Pt负载量，更通过构建"电子-几何"双功能活性中心，使催化剂在200°C即实现丙酮完全转化，活化能较传统载体降低23%。这项研究为精准设计环境催化材料提供了理论依据和技术路径。

关键技术方法包括：1）通过调控热解温度（250-450°C）制备MOF衍生CeO₂；2）采用ALD技术实现Pt原子级分散；3）结合X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和电子顺磁共振（EPR）分析载体缺陷特性；4）利用原位漫反射红外光谱（DRIFTS）追踪反应路径。

催化剂制备与结构表征
热解温度实验显示，350°C处理的CeO₂-M具有最优结晶度和缺陷浓度。XPS证实其表面氧空位占比达38.5%，远高于CeO₂-N（21.3%）和CeO₂-C（9.8%）。EPR谱图中g=2.003的特征信号强度差异进一步验证了三者缺陷密度排序。

金属-载体相互作用机制
CeO₂-M载体上Pt 4f_7/2结合能正向偏移0.8 eV，表明电子从Pt向CeO₂转移。H₂-TPR显示其低温还原峰（158°C）较其他样品降低40°C以上，证实缺陷介导的氧活化能力提升。

催化性能与反应路径
在空速30,000 mL/(g·h)条件下，Pt/CeO₂-M的T₉₀（90%转化温度）比Pt/CeO₂-C低75°C。原位DRIFTS捕获到关键中间体acetate（1540 cm^-1）和carbonate（1430 cm^-1），揭示其遵循Mars-van Krevelen氧化机制。

该研究突破性地证明：MOF衍生载体可通过缺陷工程精准调控MSI，实现"载体缺陷-Pt电子态-氧活化能力"三者的协同优化。这不仅为VOCs治理提供了新型催化剂设计策略，更深化了对稀土氧化物表面化学的认识。特别值得注意的是，ALD技术与缺陷载体结合的普适性方法，可拓展至其他贵金属催化体系，在环境催化、能源转化等领域具有广阔应用前景。