儘管油改氣能夠將汽柴油發動機的二氧化碳和顆粒污染物減少大約1/4，但它們還是會排出未燃燒殆盡的甲烷。主要原因是排氣管系統中的催化轉化器在低溫時效率低下。不過2021 年10 月18 日發表於《自然·催化》期刊上的一項新研究，還是介紹了可清除排放物、並增強水蒸氣耐受性的新型氧化鈀催化劑。

（圖自：Cortland Johnson / PNNL）

廈門大學化工學院熊海峰教授所在的課題組，介紹了在原子捕獲修飾載體、進而控制多相催化劑中二維金屬/ 金屬氧化物的形成和熱催化方面取得的重要進展。

與現有技術相比，與單個鉑原子結合在一起的氧化鈀(Pd) 催化劑“筏”，有望讓天然氣引擎的卡車、越野車等設備的動力系統，變得更加清潔、高效和實用。

研究配圖- 1：二維Pt 筏板的掃透電子顯微圖像

具體說來是，這種新型催化劑可淨化天然氣、並使催化過程更耐受水蒸氣，從而降低未燃燒完全的甲烷的排放量。

研究配圖- 2：沉積在工程催化劑載體上的一氧化碳反應性/ 能量評估

華盛頓州立大學Gene & Linda Voiland 化學工程與生物工程學院特聘教授Yong Wang 表示：“能源效率的提升，必須與後處理技術齊頭並進。當前天然氣的燃燒利用，在效率上還有進一步提升的空間”。

研究配圖- 3：添加/ 未添加水蒸氣時，Pd 基催化劑的甲烷氧化反應性評估。

這項研究匯聚了來自美國、歐盟與中國的合作夥伴，並在華盛頓州立與新墨西哥大學的牽頭下開展了相關工作。

研究配圖- 4：原子俘獲/ 沉積的AC-STEM 圖像

雖然油改氣在美國並不普遍，但中國、伊朗、印度地區卻相對常見。由於污染較汽柴油引擎更少，燃氣引擎常被用於城市地區的卡車/ 公交汽車，且天然氣行業也在通過數千台壓縮機將燃氣泵送到千家萬戶。

研究配圖- 5：1Pd/ 2Pt@CeO ₂ 樣本的XAS 光譜

問題在於，發動機工作效率越高、燃燒越清潔，排氣溫度就越低，對應催化劑的污染物清除效用也就越不理想。更何況未燃燒完全的甲烷是一種強效溫室氣體（是二氧化碳的25 倍左右）。

研究配圖- 6：1Pd/ 2Pt@CeO 2 和（1Pd + 2Pt）/ CeO₂ 催化劑的XPS 光譜

Yong Wang 教授補充道：水是甲烷燃燒的副產物之一，而傳統催化劑在有水存在的情況下表現很是糟糕，結果引發了“燃燒更清潔的燃料≠ 污染物去除效果就更優”的矛盾。

研究配圖- 7：金屬Pd / Pd 氧化物上的甲烷氧化/ 水分解的DFT 模擬

好消息是，與通常使用的由Pd 氧化物納米顆粒製成的催化劑相比，新型筏闆對水蒸氣具有更好的耐受性、同時提升了反應效率。

（來自：Nature Catalysis）

新墨西哥大學化學與生物工程系教授、研究通訊作者之一的Abhaya K. Datye 表示：

強結合Pt 可作為添加金屬原子的成核位點，借助捕獲的Pt 原子，我們能夠證明Pt 與Pd 氧化物二維筏板的行程，後者可改變活性相的氧化態與反應性。

我們的理論計算表明，筏不易分解游離水，從而抑制了’水中毒’在甲烷氧化催化過程中的不利影響。

展望未來，研究人員希望進一步推動催化劑技術，並最終與工業界合作實現商業化應用。

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【熊海峰教授課題組熱穩定單原子催化劑研究發表於Nature Catalysis】（來自：廈門大學）

近日，化學化工學院熊海峰教授課題組在原子捕獲修飾載體進而控制多相催化劑中二維金屬/金屬氧化物的形成和熱催化方面取得重要進展。

相關研究成果以“Engineering catalyst supports to stabilize PdOx two-dimensional rafts for water-tolerant methane oxidation”為題發表於Nature Catalysis (DOI: 10.1038/s41929-021-00680-4)。

對金屬顆粒的大小、形貌以及氧化態的精準控制是多相催化劑製備的重要挑戰。傳統催化劑往往需要高溫(> 300℃)煅燒處理，導致金屬很難維持沉積時的形貌/尺寸。

熊海峰等基於前期在原子捕獲法製備單原子的研究基礎上(Science 2016, 353, 150-154；Science 2017, 358, 1419-1423)，用原子分散的Pt對CeO2表面進行改性，並在改性後的載體上沉積Pd，可形成抗H2O中毒和催化劑燒結的二維PdOx筏狀結構。

這種PdOx二維筏在CH4完全氧化反應中表現出優異的低溫催化活性及耐水性能，抗氧化性能優於普通浸漬法製備的Pd和Pt-Pd催化劑。

譜學研究表明，二維筏PdOx催化劑優異的耐水性歸結於二維筏結構的PdOx與三維PdO顆粒在電子結構及形貌上的不同所致。密度泛函理論計算進一步闡明了水蒸氣與二維PdOx筏之間和與PdO顆粒之間相互作用的差異。

這項工作表明，可以通過載體表面預修飾金屬單原子，從而改變後續沉積金屬的結構和性質，為合理設計和開發多相催化劑提供了新的思路和方法。

熊海峰教授為該論文的共同第一作者和共同通訊作者，廈門大學博士後杜聰聰及博士生李恆宇參與了該工作，美國西北太平洋國家實驗室暨華盛頓州立大學王勇教授及美國新墨西哥大學郭華教授和Abhaya Datye教授作為該論文的共同通訊作者。

研究工作得到國家自然科學基金(22072118、2212100020)等資助。