释放零价铂单原子的能量以增强低温氧气活化

用微小金属帮手净化污浊空气

许多城市都在应对由油漆、燃料和工业溶剂释放的无形有毒气体。其中最常见的嫌疑之一是甲苯，这种挥发性有机物既损害空气质量又危害人体健康。从尾气中清除此类污染物通常需要大量热能和能量，导致过程成本高昂。本研究探索如何构建一种新型超高效催化剂，能在更低温度下去除这些化学物质，有望在降低能源消耗的同时保持更清洁的空气。

单原子为何重要

催化剂是加速化学反应而自身不被消耗的材料。像铂这样的贵金属是非常优秀的催化剂，但它们稀缺且昂贵。传统上它们以纳米颗粒形式使用，在颗粒内部大量金属处于埋藏状态而未参与反应。近来，研究人员开发了“单原子催化剂”，即将单个金属原子分散在载体上，使几乎每个金属原子都能参与反应。然而，这些单原子常被周围的氧原子锁定为正价态，从而降低了它们活化氧气分子的能力，而活化氧气是氧化分解甲苯等污染物的关键步骤。

构建新型活性位点

研究团队致力于制备表现更像金属铂（如导线或颗粒）的铂单原子——即所谓的零价态，富含电子。他们将铂原子锚定在含有大量原子级缺陷的超薄氧化钴片上。通过在仅180 °C的温和氢处理下，选择性地移除铂周围的氧原子，同时避免铂原子聚集。这一方法产生了不再被氧包围、而是更直接与邻近钴原子成键的孤立铂原子。先进的显微镜和计算机模拟证实这些单原子确实处于近零价态，并在二维载体上保持稳定。

将氧气变为更强的清洁剂

为理解这些新位点为何更有效，研究人员比较了两种催化剂：一种是传统的高价铂原子，另一种是零价铂原子。他们发现零价位点将空气中的氧分子更强烈地吸附到表面，并拉伸氧—氧键，使该键更容易断裂。实质上，铂原子向氧分子捐赠电子，把氧转化为高度活性的物种，从而更有效地攻击甲苯。对表面氧物种的测量以及材料可被还原难易程度的测试都表明零价铂催化剂上存在更活跃的氧。

在更低温下更快分解甲苯

当研究团队让甲苯和氧气在催化剂表面流动时，零价铂原子的性能显著优于高价铂版本和裸氧化钴。新催化剂在约140 °C时就能实现甲苯向二氧化碳90%的转化，而其他材料则需更高温度。按表面积和铂含量归一化后显示，每个零价铂原子在驱动反应方面的效率比高价铂原子高出数倍到近十倍。该催化剂在至少48小时内保持活性，并且在潮湿空气中仍然有效——这是实际应用中的常见挑战。

更顺畅的化学途径

详细的红外和质谱研究显示，甲苯并非一步燃烧掉，而是经过一系列中间化合物，随后芳环开裂，最终转化为更小的分子，继而生成二氧化碳和水。计算机模拟表明，在零价铂位点上，这一步骤序列遵循与单纯氧化钴不同且更节能的路径。新路径既降低了早期氧化步骤的能垒，又使环开裂更容易，这有助于解释为何该催化剂能在相对较低温度下高效工作。

对更清洁、更经济污染控制的意义

通俗地说，研究人员设计了一种高度节约且强大的“化学过滤器”，使每个铂原子都能被充分利用。通过将铂维持在零价、富电子状态并锚定在特制的氧化物薄片上，他们显著改善了氧的活化方式以及对抗顽固分子如甲苯的分解能力。这一概念可为下一代空气净化和工业排放控制催化剂的设计提供指导，帮助更高效地去除有害废气，同时减少贵金属用量和能耗。

引用: Li, R., Huang, Y., Zhu, D. et al. Unleashing the power of zero-valent platinum single atoms for enhancing low-temperature oxygen activation. Nat Commun 17, 3350 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70170-3

关键词: 单原子催化剂, 甲苯氧化, 氧活化, 铂/氧化钴, 空气污染控制