高温还原处理调控Pt/TiO2催化剂中强金属-载体相互作用与Pt-Ti合金协同效应提升CO氧化性能

为解决工业过程中CO污染控制难题，研究人员通过300-800°C高温还原处理调控Pt/TiO2催化剂的强金属-载体相互作用（SMSI），发现700°C处理形成的氧空位富集TiOx覆盖层与Pt-Ti合金核产生协同效应，其界面耦合O2解离与CO弱化反应，使催化活性显著提升，为设计高效环境催化剂提供新思路。

　　

随着化石燃料持续主导全球能源结构，一氧化碳（CO）污染治理成为环境催化领域的重大挑战。工业过程中，CO不仅危害人体健康，还会毒化燃料电池电极、影响化工反应选择性。传统Pt/TiO₂催化剂虽能催化CO氧化为CO₂，但其活性受限于金属-载体相互作用（MSI）的调控精度。尤其当温度超过600°C时，强金属-载体相互作用（SMSI）诱导的Pt纳米颗粒封装与合金化机制尚不明确，制约着高性能催化剂的理性设计。

天津大学分子+研究院的研究团队在《Materials Today Energy》发表的研究中，通过300-800°C梯度还原处理1-10 wt% Pt/TiO₂催化剂，结合原位CO-DRIFTS（漫反射傅里叶变换红外光谱）和XRD（X射线衍射）等技术，首次揭示了高温SMSI过程中TiO_x覆盖层与Pt-Ti合金核的协同作用机制。研究发现700°C还原处理的催化剂表现出最优活性，其奥秘在于：氧空位富集的TiO_x覆盖层在封装Pt纳米颗粒的同时保持反应物渗透性，而电子富集的Pt-Ti合金核削弱CO吸附强度，二者界面耦合了O₂解离与CO氧化半反应。

关键实验技术
研究采用初湿浸渍法制备Pt/TiO₂催化剂，通过H₂-TPR（程序升温还原）和XPS（X射线光电子能谱）分析还原行为与电子状态，HRTEM（高分辨透射电镜）观测Pt纳米颗粒结构演变，原位CO-DRIFTS追踪反应过程中Pt位点配位环境变化，同步辐射XAS（X射线吸收光谱）解析Pt-Ti合金电子结构。

主要研究结果

1. 催化剂制备与表征：热预处理导致TiO₂比表面积下降（图S1-S2），但700°C还原形成的Pt-Ti合金与TiO_x覆盖层构成独特核壳结构（图1）。
2. 结构-活性关联：700°C样品CO氧化速率较300°C提升5倍（图2），源于Ti³⁺/空位位点促进O₂解离，Pt-Ti合金削弱CO吸附（图3）。
3. 动态界面演化：原位表征发现反应中Pt-Ti合金部分解离（图4），暴露的低配位Pt位点进一步强化Pt/TiO_x界面活性（图5）。

结论与意义
该研究阐明了高温SMSI诱导的"富电子Pt-Ti合金核+氧空位TiO_x壳"协同机制：（1）700°C还原形成的Pt₃Ti合金核通过电子效应弱化CO吸附；（2）渗透性TiO_x覆盖层提供Ti³⁺/空位活化O₂；（3）反应诱导的界面重构产生持续活性位点。这一发现突破了传统SMSI研究限于600°C以下的认知边界，为通过"还原温度-合金化程度-界面结构"精准调控设计高效环境催化剂提供了新范式。国家自然科学基金资助项目（22172110）和可持续化学转化海河实验室的支持，彰显了该研究在碳中和背景下的战略价值。