超稳定低配位Pt单原子/CeZrO2有序大孔结构集成工业级整体催化剂实现高温氧化性能突破

本研究针对铂族金属(Pt)催化剂在高温条件下易烧结、过氧化和流失三大失活难题，创新性地开发了Zr稳定的动态低配位Pt单原子(PtSA)催化剂，通过有序大孔(OM)结构设计将Pt负载量降低至0.4 gPt/L（较商用催化剂减少55%），在800℃水热老化50小时后仍保持92%的丙烷转化率。该研究首次揭示了Zr掺杂调控PtSA配位动态演变的原子机制，并实现3.4升商业堇青石载体的工业化集成，为高温氧化催化剂设计提供了新范式。

　　

在汽车尾气处理和工业排放控制领域，铂族金属(Pt)催化剂长期面临"高温三重诅咒"：颗粒烧结导致活性位点减少、过氧化形成惰性Pt氧化物、以及贵金属流失造成的经济负担。尽管原子捕获技术可解决Pt烧结问题，但传统Pt单原子催化剂(Pt_SA/CeO₂)在高温氧化环境中仍面临配位过饱和导致的活性下降。更棘手的是，工业气流冲刷会加剧Pt流失，这使得开发兼具高活性和超高稳定性的催化剂成为领域内亟待突破的难题。

为解决这些挑战，Baojian Zhang、Yanbing Guo团队在《Nature Communications》发表了创新性研究。通过结合先进的原子尺度调控和宏观结构工程，研究人员成功开发出超稳定低配位Pt_SA/CeZrO₂有序大孔催化剂。该工作不仅揭示了Zr掺杂稳定动态低配位Pt单原子的机制，还首次实现了3.4升工业级整体催化剂的规模化制备，为高温催化材料设计提供了全新思路。

研究采用多尺度技术方法体系：(1)模板法制备有序大孔(OM)Ce_0.8Zr_0.2O₂载体并在堇青石基底上实现3.4升规模集成；(2)微波辅助浸渍法负载Pt纳米颗粒(Pt_NP)后经800℃老化转化为单原子形态；(3)结合原位近常压XPS(NAP-XPS)和ab initio分子动力学(AIMD)模拟揭示反应条件下Pt配位动态变化；(4)通过计算流体动力学(CFD)验证OM结构对传质优化的作用；(5)采用同步辐射XAS、球差电镜(ac-HAADF STEM)等多维表征技术解析原子结构。

有序大孔结构实现工业级集成

通过聚苯乙烯模板法在堇青石蜂窝体上构建孔径0.7μm的有序大孔结构，汞孔隙率测定显示其介孔-大孔(20-1000 nm)数量显著高于传统涂层催化剂。计算流体动力学模拟证实该结构使压降降低80%，质量传递阻力减少两个数量级。更重要的是，OM结构在800℃流动空气中将Pt流失率控制在25%，较传统粉末催化剂降低37.5%。

Zr稳定动态低配位Pt单原子

EXAFS拟合显示Zr掺杂使Pt-O配位数从5.8降至4.1，形成不对称方形平面Pt₁O₄构型（三个短Pt-O_(Ce)键1.67?，一个长Pt-O_(Zr)键1.97?）。AIMD模拟发现反应条件下Pt_SA/CeZrO₂配位数动态波动于4-5之间，而Pt_SA/CeO₂维持在5-6配位。这种动态低配位使Pt d带中心上移，保留更多未占据d轨道，经NAP-XPS证实其在400℃反应中保持Pt²⁺状态，而Pt_SA/CeO₂则氧化为Pt⁴⁺。

晶格过氧化物(Latt-O₂^-)活化机制

O₂-TPD和EPR证实Pt_SA/CeZrO₂优先形成热稳定性更高的晶格过氧化物物种（键长1.45?），其结合了分子氧活性和晶格氧稳定性。DFT计算显示该催化剂对C₃H₈的C-H键断裂能垒仅0.17eV，较Pt_SA/CeO₂(0.98eV)显著降低。原位红外谱图观察到1667 cm^-1特征峰，证实反应路径从丙酸盐转向更高效的丙烯酸盐路径。

工业性能验证

集成3.4升整体催化剂在0.4 g_Pt/L负载量下实现T₉₀=400℃，优于商用PtPd/CeZr催化剂(0.9 g_Pt/L，T₉₀=455℃)。经1100℃极端老化后，其活性衰减(ΔT₉₀=60℃)远小于商业催化剂(ΔT₉₀≥200℃)。在含10% H₂O的800℃水热老化50小时后，450℃下仍保持92%转化率长达1000小时。

该研究通过"原子尺度配位调控+宏观结构工程"的双重策略，同步解决了Pt催化剂烧结、过氧化和流失三大难题。发现的动态低配位Pt单原子构型为设计抗过氧化催化剂提供了新原理，而有序大孔结构的工业化集成方法则推动了实验室成果向实际应用的转化。这项工作不仅为机动车尾气处理提供了更经济的解决方案，其揭示的配位环境动态调控机制对高温催化、能源转化等领域具有普适性指导意义。