Зависимая от размера Pt обратная передача кислорода на Sn-допированном Pt/TiO2 для окисления CO

Очистка загрязнённого воздуха с помощью крошечных металлических частиц

Загрязнение воздуха от автомобильных выхлопов и промышленных печей содержит оксид углерода (CO) — ядовитый газ, который необходимо удалять перед выбросом в атмосферу. Катализаторы на основе крошечных частиц платины, нанесённой на оксиды металлов, широко используются для этой задачи, но учёные до сих пор обсуждают, какие именно атомные структуры делают такие катализаторы наиболее эффективными. В этом исследовании показано, как размер частиц платины контролирует тонкий процесс перекачки кислорода на поверхности, предлагая новый рецепт для более эффективных и долговечных материалов для очистки воздуха.

Как поверхность катализатора обменивается кислородом

Атомы платины размещены на подложке из диоксида титана, целенаправленно модифицированной добавлением атомов олова. Это создаёт слегка неуравновешенные кислородные сайты, которые могут легче перемещаться. Во время очистки от CO кислород может двигаться в необычном направлении: вместо того чтобы уходить с металла на подложку, атомы кислорода перескакивают с подложки на платину. Эта «обратная передача кислорода» временно превращает платину в более обогащённую кислородом форму, которая способна быстро окислять CO до CO2 даже при низких температурах. Понимание того, когда и как происходит этот обмен кислородом, важно для проектирования лучших катализаторов.

Почему размер частиц имеет значение

Исследователи подготовили серию катализаторов, в которых платина представлена в виде одиночных атомов, небольших кластеров, содержащих несколько атомов, или более крупных нанокристаллов. Эти структуры были подтверждены с помощью продвинутой электронной микроскопии и рентгеновских методов, при этом сама подложка оставалась практически одинаковой. Пропуская поток CO через катализаторы и тщательно отслеживая количество CO и CO2, они оценивали, какое количество активного кислорода участвует в реакции. Платина в виде нанокластеров выделялась — она обеспечивала наибольшее количество реакционноспособного кислорода и самую быструю переработку CO, примерно в два раза быстрее, чем одиночные атомы или крупные кристаллы.

Наблюдение за движением кислорода в реальном времени

Чтобы увидеть, что происходит во время реакции, команда использовала in situ методы, которые исследуют катализатор в рабочем состоянии. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия при близком к атмосферному давлении и рамановская спектроскопия показали, что в присутствии только кислорода платина сохраняет умеренно окисленное состояние, а решётка подложки стабильна. Однако после введения CO атомы кислорода из олова-допированной подложки мигрировали к платине, увеличивая её степень окисления — прямое свидетельство обратной передачи кислорода. Этот эффект был наиболее выражен для платиновых нанокластеров, слабее проявлялся для нанокристаллов и фактически отсутствовал для изолированных одиночных атомов. Инфракрасные измерения адсорбированного CO подтвердили, что электронное состояние платины наиболее заметно меняется на нанокластерах с повышением температуры, вновь указывая на более активное движение кислорода.

Симуляции показывают атомный танец

Компьютерные симуляции на основе квантовой механики помогли объяснить, почему разные размеры ведут себя так по-разному. Для одиночных атомов платины CO связывается настолько сильно, что структура «заклинивается», мешая кислороду перейти с подложки на металл. Для больших кристаллов поглощение CO, как правило, разрывает связь между платиной и подложкой, поэтому кислород больше не проходит через интерфейс. Напротив, на нанокластерах связывание CO умеренно: это вызывает сильный приток электронов к межфазному кислороду, ослабляя его связи с подложкой и поощряя его перескок на платину. Этот шаг снижает энергетический барьер для превращения CO в CO2, создавая более быстрый и эффективный цикл реакции.

Проектирование лучших катализаторов для чище�� воздуха

Вместе эксперименты и симуляции рисуют ясную картину: платиновые нанокластеры на Sn-допированном диоксиде титана попадают в «сложную зону», где кислород может легко перекачиваться туда и обратно, обеспечивая низкотемпературное окисление CO без дестабилизации катализатора. Одиночные атомы удерживают CO слишком прочно, чтобы использовать этот путь, тогда как крупные частицы теряют контакт с обогащённой кислородом подложкой. Настраивая размер частиц и состав подложки для максимизации обратной передачи кислорода, инженеры могут разрабатывать более эффективные катализаторы для очистки выхлопных газов автомобилей и промышленных печей, что поможет снизить токсичные выбросы и улучшить качество воздуха.

Цитирование: Xiong, S., Gong, Z., Wang, H. et al. Pt size-dependent reverse oxygen spillover on Sn-doped Pt/TiO₂ for CO oxidation. Nat Commun 17, 3380 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69327-x

Ключевые слова: окисление оксида углерода, нанокластеры платины, перелив кислорода, катализаторы для контроля выбросов, подложка из диоксида титана