氧功能化策略突破石墨烯封装金属催化剂的活性-稳定性平衡难题

为解决石墨烯封装金属催化剂(Graphene encapsulated metal catalyst)在提升稳定性时牺牲活性的矛盾，研究人员通过表面氧化策略制备了氧功能化催化剂(3%Pt/ZrO2@C-O-X)，其表面富含羟基和羧基，实现了电子转移效率提升与亲水性调控。该催化剂在硝基苯加氢制对氨基苯酚(p-Aminophenol)反应中展现出1962 g·mol-1·min-1的转化率、72.3%选择性和10次循环稳定性，突破了传统催化剂的活性-选择性平衡。该研究为苛刻条件下高效工业催化剂设计提供了新思路。

　　

在工业催化领域，金属纳米颗粒易团聚失活的问题长期困扰着研究人员。传统解决方案是用石墨烯等碳材料封装金属颗粒，虽然显著提升了抗腐蚀性，却因活性位点被遮蔽导致催化活性大幅降低。这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境，在硝基苯加氢制对氨基苯酚(PAP)等精细化工反应中尤为突出——既要保证反应效率，又需维持产物选择性，还要经受酸性反应环境的考验。

浙江工业大学的科研团队在《Surfaces and Interfaces》发表的研究中，提出了一种巧妙的氧功能化策略。他们通过氧化剂浸渍法对石墨烯封装催化剂(3%Pt/ZrO₂@C)进行表面修饰，成功制备出富含羟基和羧基的氧功能化催化剂(3%Pt/ZrO₂@C-O-X)。这种"外科手术式"的改性既保留了石墨烯的保护作用，又通过表面氧基团构建了电子传输通道，同时精准调控了催化剂亲水性。

研究采用场发射扫描电镜(SEM)观察形貌，X射线光电子能谱(XPS)分析表面化学态，结合密度泛函理论(DFT)计算阐明了作用机制。结果显示：氧化处理后的催化剂表面C=O键含量提升至12.7%，接触角从102°降至65°，证实了亲水性增强。在硝基苯加氢反应中，优化后的3%Pt/ZrO₂@C-H₂O₂-1催化剂表现出三重优势：一是通过表面氧基团促进电子穿透，氢解离吸附能降低0.38 eV；二是亲水-疏水平衡有利于苯基羟胺中间体重排；三是石墨烯骨架保护使Pt颗粒在10次循环后仍保持2.8 nm粒径。

《Chemicals and Materials》部分显示，研究选用氯铂酸、硝酸等常规试剂，通过浸渍-还原法制备基础催化剂，再分别采用H₂O₂和HNO₃进行梯度氧化。《Catalyst structure characterization》中，元素面扫证实Pt、C、O均匀分布，拉曼光谱ID/IG值变化表明氧化过程引入了缺陷位但未破坏碳骨架。《CONCLUSIONS》指出，该策略使PAP选择性提升47%，同时TOF值达到传统催化剂的2.3倍，首次实现了活性-选择性-稳定性的协同优化。

这项研究的突破性在于：从电子结构和界面性质双重维度解耦了催化剂的"保护-活性"矛盾。表面氧基团如同"分子天线"，既传导金属核心的电子又调控微环境极性，而石墨烯封装层则扮演"防弹衣"角色。这种设计理念可拓展至Pd、Ru等其他封装催化剂体系，为开发适应高温高压环境的工业催化剂提供了普适性方案。正如通讯作者Qingtao Wang强调的，该工作"打破了传统认知中封装催化剂必然低活性的定式"，被审稿人评价为"界面化学与催化工程结合的典范"。