突破Pt/CeO2催化剂在CO氧化反应中的活性-稳定性权衡：V形位点捕获策略

本研究针对Pt/CeO2催化剂在CO氧化反应中存在的活性与稳定性不可兼得的核心难题，通过设计V形CeO2晶格口袋捕获Pt纳米簇，结合XAS、HAADF-STEM和DFT等技术，首次实现了高活性金属态Pt在氧化条件下的长期稳定。该成果为工业尾气处理催化剂设计提供了新范式。

　　

在工业废气处理和燃料电池等领域，一氧化碳（CO）氧化催化剂的开发始终面临一个"鱼与熊掌"的困境：使用氧化铈（CeO₂）等可还原性载体虽然能通过金属-载体协同作用获得超高活性，但高温富氧条件下金属铂（Pt）会不可逆地氧化为低活性的PtO_x物种；而采用非还原性载体虽能保持稳定性，却牺牲了催化效率。这种活性-稳定性权衡（activity/stability tradeoff）严重制约了催化剂的实际应用。

西班牙瓦伦西亚理工大学（Universitat Politècnica de València）的Benjamin Bohigues团队在《Nature Communications》发表的研究中，创新性地通过金属有机框架（MOF）热解策略，构建了具有V形晶格口袋的特殊CeO₂载体。当Pt纳米簇被限制在这些由两个晶面交叉形成的特殊位点时，其抗氧化能力显著提升，在保持CO氧化转换频率（TOF）达0.385 s^-1（80°C）的同时，能在120°C富氧条件下稳定运行16小时以上，突破了传统催化剂的性能极限。

研究团队运用四大关键技术：① 原位X射线吸收光谱（XAS）追踪Pt价态演变；② 高分辨电镜（HAADF-STEM）直接观测Pt在V形位点的空间分布；③ 漫反射红外傅里叶变换光谱（CO-DRIFT）分析活性位点化学状态；④ 密度泛函理论（DFT）计算揭示O₂解离能垒的位点依赖性。通过对比常规CeO₂负载的Pt催化剂（Pt/CeO₂-HS和Pt/CeO₂-LS），系统论证了特殊载体形貌对稳定金属活性位点的关键作用。

Pt在常规CeO₂载体上的动态行为

实验显示，传统高比表面CeO₂负载的Pt催化剂经450°C氧化处理后，Pt完全以Pt⁴⁺单原子形式存在（XAS显示配位数≈6）。虽然CO预处理可将其还原为金属态纳米颗粒并提升TOF两个数量级（0.0003→0.099 s^-1），但在300°C富氧条件下会迅速重新氧化失活。增加Pt负载量（3.5 wt%）虽能延缓但无法根本解决此问题，且会降低初始活性。

MOF衍生催化剂的突破性表现

通过Pt@UiO-66 MOF热解获得的Pt/CeO₂-Derived材料展现出独特优势：① 即使未经还原处理，已有8%的Pt保持金属态（XPS证实）；② CO还原后金属态比例升至67%，且HAADF-STEM显示2-5 nm Pt颗粒优先位于CeO₂晶体的V形交叉位点；③ 在含9.7% O₂的苛刻条件下，120°C反应16小时仍保持100%转化率，TOF达文献最优值的40倍。

DFT揭示稳定机制

理论计算表明，位于V形位点的Pt₁₀团簇与载体相互作用能（-8.891 eV）显著高于平面CeO₂(111)上的团簇（-6.946 eV）。关键发现是：① O₂在V位点解离的活化能（1.0 eV）比平面位点（0.076 eV）高一个数量级；② 形成部分氧化态Pt₁₀O_x的热力学驱动力大幅降低。这解释了为何V形位点能阻断金属Pt的氧化路径。

这项研究通过巧妙的载体工程设计，首次在原子尺度实现了金属-氧化物协同催化与抗氧化的统一。其科学价值在于：① 建立了"几何限域稳定金属态"的新原理，为其他易氧化金属催化剂设计提供借鉴；② 开发的MOF热解方法可精准构建特殊载体形貌；③ 工业应用方面，解决了汽车尾气处理催化剂在冷启动（低温）和高速运行（高温）工况下的性能矛盾。研究团队特别指出，这种策略可推广至Pd、Rh等贵金属催化剂体系，对大气污染治理和碳中和目标实现具有重要意义。