Nature最新报道中科大路军岭、杨金龙&韦世强等: 利用Fe1(OH)3 -Pt催化剂解决PEMFCs中催化剂中毒，助推新能源汽车

【文章亮点】

1、 利用原子层沉积（ALD）技术，在SiO₂负载的Pt金属纳米颗粒表面上，选择性的以原子级别的方式将FeO_x沉积；

2、 利用STM、原位XAFS和原位NAP-XPS等先进技术手段证实是成功构筑了Fe₁(OH)₃-Pt单位点金属界面催化剂；

3、制备的Fe1(OH)3-Pt单位点界面催化剂可以在198-380 K下实现选择性完全氧化CO, 并且保持100%的选择性。

【背景介绍】

质子交换膜燃料电池 (PEMFCs)是一种很有吸引力的下一代能源电池，可用于汽车和其他应用领域，其开发的重点在于改进燃料电池的催化剂系统。一个常见的问题就是催化剂中毒：通常在氢气中包含的微量的一氧化碳 (CO)杂质气体，会使催化剂中毒。一个可能的解决方法是：对氢气提纯，即利用催化剂在氢气中优先氧化一氧化碳 (CO)。然而，在汽车燃料电池频繁的冷启动期间，催化剂需要在广泛的低温范围内仍旧对CO氧化具有活性和选择性，以便在连续的PEMFCs操作期间（约353 K）有效的除去CO（低于百万分子五十），因此，这种方法是具有挑战性的。

【成果简介】

中国科学技术大学的路军岭教授、杨金龙教授和韦世强教授（共同通讯作者）等人合力在Nature上发表了最新的关于金属催化剂的文章，题目为“Atomically dispersed iron hydroxide anchored on Pt for preferential oxidation of CO in H₂”。在文中，展示了原子级分散的氢氧化铁选择性的沉积在二氧化硅负载的铂(Pt)纳米粒子上，通过PROX催化反应在198-380 K的宽温度范围内实现完全选择性氧化CO, 并且保持100％的选择性除去CO。同时，研究发现该体系的质量比活性比在氧化铁载体上由Pt组成的常规催化剂高约30倍。利用原位X射线吸收精细结构测量，发现大部分氢氧化铁以Fe₁(OH)_x簇的形式存在于Pt纳米粒子上。利用密度泛函理论计算，发现Fe₁(OH)_x-Pt单位点界可以很容易与CO反应并促进氧活化。总之，这些发现表明，除了靶向氧化物负载的贵金属纳米颗粒或分离金属原子的策略之外，分离过渡金属配合物的沉积为设计高活性金属催化剂的提供了新方法。

该论文的共同第一作者为： Cao Lina, Liu Wei and Luo Qiquan 

【图文解读】

图一、合成方案、Fe负载和xcFe-Pt / SiO₂催化剂的形态

图二、催化剂中xcFe-Pt / SiO₂、Pt / SiO₂和Pt / Fe₂O₃催化剂在PROX反应中的催化性能

图三、原位XAFS测量1cFe-Pt / SiO₂催化剂在Fe K边缘和Pt L₃边缘，用于制备的1cFe-Pt / SiO₂-O、在室温下还原（1cFe-Pt / SiO₂-R）和PROX 室温下反应（1cFe-Pt / SiO₂-P）

图四、提议的在Fe₁(OH)₃ @ Pt (100)上进行CO氧化的反应途径

【小结】

综上所述，作者利用ALD技术的优势，将其应用在高效催化剂的设计领域，并成功的在SiO₂负载的Pt金属纳米颗粒表面上原子级别的精确的构筑了Fe₁(OH)_x，形成了具有超高活性和稳定性的Fe₁(OH)_x-Pt单位点界面催化活性中心。利用STM、原位NAP-XPS和原位XAFS等先进的技术检测手段，证实了上述结论，并利用泛函密度理论计算推测了其可能的反应机理。尽管由XAFS确定的Fe₁(OH)_x单体的比例可能由于该方法的局限性而具有相当大的误差，并且我们不能排除那些较少粒子的铁—氢氧化物簇（即Fe_n(OH)_x, n = 2,3，...）对我们观察到的催化活性也有很大贡献，但是研究结果表明贵金属表面上分离过渡金属（氢）氧化物物种构成的先进金属催化剂的开发是一个非常有希望的新目标。

文献链接：Atomically dispersed iron hydroxide anchored on Pt
for preferential oxidation of CO in H₂（Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-018-0869-5）

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