今日Nature Materials:超稳定的Pt催化剂,1100℃下焚烧若等闲!
成果介绍稳定的催化剂对于解决能源和环境挑战至关重要,特别是在恶劣环境下的应用(例如,高温、氧化气氛和蒸汽环境)。
在这种条件下,负载型金属催化剂会因烧结而失活——在烧结过程中,最初的小纳米颗粒会成长为更大的颗粒,活性表面积减小。
然而,通常用于稳定催化剂的策略可能会导致性能下降。
斯坦福大学Matteo Cargnello等人报道了一种稳定催化剂的策略,通过在单独制备的浸渍铂纳米颗粒的多孔有机框架中沉积氧化铝前驱体,从而形成了氧化铝框架内封装的铂纳米颗粒,以此来稳定催化剂。
这类催化剂在800°C、存在氧气和蒸汽下仍未发生烧结现象,相比之下,传统催化剂在此条件下的烧结程度很大。

更有趣的是,这类经过稳定化处理的催化剂表现出相似的反应速率。
此外,将这种方法扩展到Pd-Pt双金属催化剂上,可以在高达1100°C的温度、存在空气和蒸汽的条件下避免颗粒发生烧结。
因此,该策略可广泛应用于其他金属和金属氧化物等催化剂,以避免材料发生烧结而失活。
相关工作以Templated encapsulation of platinum-based catalysts promotes high-temperature stability to 1,100°C为题在Nature Materials上发表论。
图介绍今日Nature Materials:超稳定的Pt催化剂,1100℃下焚烧若等闲!
图1. 封装型催化剂的合成与表征采用模板法制备了封装型催化剂,首先通过湿浸渍法将合成的Pt纳米粒子(尺寸为3.8±0.6 nm)沉积到单独制备的多孔聚合物(多孔有机框架(POF))上。
这一过程将在POF表面均匀分布Pt纳米粒子。
通过将Pt/POF样品引入新的聚合物生长溶液,Pt纳米粒子被封装在额外的POF层中,得到Pt@POF。
这通过TEM图像及其粒度分布分析进行证明,在整个合成过程中纳米粒子的尺寸保持不变。
最后,通过氧化铝前驱体渗透到聚合物的孔隙中,并随后通过煅烧去除聚合物,将Pt@POF样品转化为Pt@Al2O3催化剂。
在600°C的煅烧过程中没有发现任何的Pt纳米粒子发生烧结。
HAADF-STEM图像显示,超细的Pt纳米粒子均匀分散在多孔氧化铝颗粒中。
表1 结构表征数据今日Nature Materials:超稳定的Pt催化剂,1100℃下焚烧若等闲!
今日Nature Materials:超稳定的Pt催化剂,1100℃下焚烧若等闲!
图2. 封装型催化剂的催化活性和结构表征及其与负载型催化剂的比较采用丙烯完全氧化作为模型反应,评估了其催化活性和稳定性。
以含有低浓度(0.15 vol.%)的丙烯,3 vol.%氧气和5vol.%蒸汽作为反应气流,在制备好的Pt@Al2O3和Pt/Al2O3催化剂中,可以看到丙烯在215℃左右的反应流中完全转化。
当催化剂在800℃的反应混合物中老化2小时后,两种催化剂表现出截然不同的性能。
Pt@Al2O3-800的活性与制备好的催化剂相似,这可以从达到完全丙烯转化所需的<3℃的温度差异中得到证明。
相比之下, Pt/Al2O3-800样品表现出明显的活性丧失,其转化温度升高了35°C。
假设Pt/Al2O3-800在氧化条件下老化时活性的丧失是由于Pt烧结造成的。
HAADF-STEM表征表明,Pt纳米粒子的平均尺寸从3.8 nm(老化前)增加到17.2 nm(老化后),清晰可见>100 nm的颗粒。
这一变化相当于损失了78%的Pt表面积,这也解释了Pt催化活性的大幅下降。
与Pt/Al2O3不同的是,Pt@Al2O3样品显示,在800°C老化后,整个催化剂中仍然存在小颗粒,粒径分布发生了细微变化。
今日Nature Materials:超稳定的Pt催化剂,1100℃下焚烧若等闲!
图3. 烧结阻抗的理论模型与进一步的稳定性试验今日Nature Materials:超稳定的Pt催化剂,1100℃下焚烧若等闲!
图4. 扩展到Pt-Pd催化剂及其在1100°C下的稳定性论证进一步试图通过在催化剂中添加Pd来进一步提高催化剂的热稳定性,众所周知,Pd可以降低PtO2的挥发性。
在此制备了Pd/Pt原子比为1:1的3.5 nm的Pd-Pt双金属纳米粒子。
类似地,将PdPt@Al2O3置于800℃进行老化,得到PdPt@Al2O3-800,可以看出其活性与新鲜制备的催化剂相似。
献信息Templated encapsulation of platinum-based catalysts promotes high-temperature stability to 1,100°C,Nature Materials,2022.https://www.nature.com/articles/s41563-022-01376-1
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