掺锡Pt/TiO2上依赖Pt颗粒尺寸的反向氧溢出用于CO氧化

用微小金属颗粒净化污浊空气

汽车尾气和工业炉排放的空气污染物中含有一氧化碳（CO），这是一种必须在排放到大气前清除的有毒气体。由微小铂颗粒负载在金属氧化物上的催化剂被广泛用于这一目的，但科学界仍在争论究竟哪种原子排列使这些催化剂最有效。该研究揭示了铂颗粒尺寸如何控制表面上一种微妙的氧传递过程，为更高效、更耐久的净化材料提供了新的配方。

催化剂表面如何共享氧

铂原子布置在经由掺入锡原子而刻意改性的二氧化钛载体上，形成了更易移动的轻微不平衡氧位点。在CO去除过程中，氧可沿着一条不寻常的方向移动：氧不是从金属离开并迁移到载体，而是从载体跳到铂上。这种“反向氧溢出”会暂时使铂变为含氧更多的形态，从而能够在低温下迅速将CO氧化为二氧化碳。理解何时及如何发生此类氧共享对设计更佳的催化剂至关重要。

为何颗粒尺寸很重要

研究者制备了一系列催化剂，其中铂以孤立单原子、小型含数个原子的簇或较大的纳米晶体形式存在。他们用先进的电子显微和X射线技术确认了这些结构，同时保持基体载体几乎相同。通过在催化剂上通入CO并仔细追踪产生的CO与CO2量，可估算参与反应的活性氧数量。呈纳米簇形态的铂表现突出，提供了最多的反应性氧并且CO的周转最快，约为单原子或大晶体的两倍。

实时观察氧的迁移

为观察反应过程中发生的情况，团队采用了在位表征方法来探测催化剂在工作时的状态。近环境压强X射线光电子能谱和拉曼光谱显示，在仅有氧气存在时，铂保持中度氧化态且载体晶格稳定。然而一旦引入CO，来自掺锡载体的氧原子迁移到铂上，提高了铂的氧化态——这是反向氧溢出的直接证据。该效应在纳米簇铂上最强，在纳米晶体上较弱，而在孤立单原子上基本不存在。对吸附CO的红外测量证实，随温度升高铂的电子态在纳米簇上发生的变化最为明显，进一步表明氧的活跃迁移。

模拟揭示原子间的舞蹈

基于量子力学的计算模拟帮助解释了为何不同尺寸行为差异如此显著。对于单个铂原子，CO吸附极强使得结构被锁定，阻止氧从载体迁移到金属。对于大型铂晶体，CO吸附往往破坏铂与载体之间的连接，因而氧无法跨界面流动。相比之下，在纳米簇上CO的结合适中：它触发了强烈的电子流向界面氧，从而削弱了氧与载体的结合并促使其跳到铂上。此步骤降低了将CO转化为CO2的能垒，使反应循环更快、更高效。

为更清洁空气设计更佳催化剂

实验与模拟共同描绘出一幅清晰图景：掺锡二氧化钛载体上的铂纳米簇处于一个“甜点”区，氧能够容易地来回穿梭，驱动低温CO氧化同时不破坏催化剂稳定性。单原子对CO束缚过强而无法利用这一路径，而大颗粒则失去与富氧载体的接触。通过调节颗粒尺寸和载体组成以最大化反向氧溢出，工程师可以设计出更有效的车辆和工业炉尾气净化催化剂，从而减少有毒排放、改善空气质量。

引用: 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

关键词: 一氧化碳氧化, 铂纳米簇, 氧溢出, 尾气净化催化剂, 二氧化钛载体