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中国科学院生态环境研究中心贺泓院士团队：揭示金属-载体相互作用在氨选择性氧化中的反向效应

CellPress细胞科学

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2025-03-13 12:18

上海

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 Cell Press CellPress细胞科学

物质科学

Physical science

金属-载体相互作用（MSI）的精准调控对催化性能的影响是催化领域的重要研究方向，而有效调控MSI则依赖于对其机制的深入理解。尽管已有大量相关研究，但MSI的作用机制在相同反应体系中的差异性表现仍缺乏系统研究。

近日，来自中国科学院生态环境研究中心的贺泓院士团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Chem Catalysis上发表了一篇题为“Reverse effect of metal-support interaction on platinum and iridium catalysts in ammonia selective oxidation”的研究论文。该研究通过调控金属-载体相互作用（MSI）强度，揭示了MSI对于Pt/Ir基催化剂在氨氧化过程中的反向效应。弱MSI导致在不可还原的Al2O3上形成金属Pt纳米颗粒，而强MSI诱导可还原CeO2上形成单原子Ir-O-Ce位点，显著提高了氨选择性催化氧化（NH3-SCO）的低温活性。本研究为调控MSI以调节负载催化剂上的活性位点结构提供了新的见解，帮助设计高效负载型贵金属催化剂。

文章亮点

弱金属-载体相互作用诱导Al2O3载体上形成Pt和Ir的纳米颗粒。

强金属-载体相互作用诱导CeO2载体上形成Pt和Ir的单原子。

Ir/CeO2上的单原子Ir-O-Ce位点显著促进了NH3的裂解，提高了NH3选择性氧化的低温活性。

研究简介

研究背景

金属-载体相互作用（MSI）的精准调控是提升催化性能的关键科学问题，在环境催化领域具有重要研究价值。针对氨气（NH3）排放引发的雾霾与氮沉降等环境问题，NH3选择性催化氧化（NH3-SCO）技术因其可将NH3高效转化为无害的N2和H2O而备受关注。当前Pt/Ir基催化剂虽具有高活性，但其选择性不足导致氮氧化物等副产物的生成，制约了其实际应用。通过调控金属-载体相互作用，有望同时优化催化剂活性和选择性，这为深入解析NH3-SCO反应机制、开发高性能催化剂提供了新的见解。

结果与讨论

图1. Pt基和Ir基催化剂的NH3-SCO催化性能

图2. 催化剂的结构性质

研究团队制备了一系列负载在Al2O3、TiO2和CeO2上的Pt和Ir催化剂，评估了不同催化剂在NH3-SCO反应中的性能。对于Pt基催化剂，其活性顺序为Pt/Al2O3 > Pt/TiO2 > Pt/CeO2，其中Pt/Al2O3在225°C下几乎实现了NH3的完全转化。对于Ir基催化剂，活性顺序则为Ir/CeO2 > Ir/TiO2 > Ir/Al2O3，Ir/CeO2在较低温度（175°C）下即表现出较高的催化活性（图1），表明Pt和Ir在相同的载体上却表现出了相反的催化性能。研究团队进一步通过XRD、XANES、EXAFS和HAADF-STEM等技术表征了催化剂的结构和理化性质。XRD显示，在Pt/Al2O3和Ir/Al2O3上分别观察到了的金属Pt和IrO2的衍射峰；HAADF-STEM图像和XANES和EXAFS分析进一步表明Pt和Ir分别以金属Pt纳米颗粒和IrO2纳米颗粒形式存在（图2）。相反的是，在Pt/CeO2和Ir/CeO2上，Pt和Ir均以高度分散的单原子形式存在，没有观察到明显的金属纳米颗粒，这表明在CeO2载体上金属与载体之间的强相互作用诱导了单原子位点的形成。

图3. Ir/CeO2催化剂上NH3氧化的Operando DRIFTS-MS实验

随后研究团队利用原位傅里叶变换光谱-质谱（DRIFTS-MS）进一步揭示了NH3选择性氧化反应在不同催化剂上的机理（图3）。在Pt/Al2O3上，吸附在L酸位点的NH3首先被氧化生成硝酸盐物种，随后与NH3反应形成NHxNOy中间体并进一步分解为N2和H2O。相比之下，在Ir/CeO2上，NH3主要通过单原子Ir-O-Ce位点直接裂解生成N和H，同时耦合NH3氧化生成的硝酸盐物种或NOx生成N2。密度泛函理论（DFT）计算进一步揭示了Ir单原子位点通过强MSI显著改变了CeO2表面的电子结构（图4），单原子Ir强烈吸引相邻的O原子，导致Ir-O键的缩短和Ce-O键的增加，从而在Ir-O-Ce位点形成了缺电子的氧物种，该位点极大地降低了N-H键裂解的能垒。

图4. NH3氧化能垒的密度泛函理论计算

总结

金属-载体相互作用强度是调控催化剂活性位点结构的重要因素。不同的金属-载体相互作用在NH3-SCO中展现出相反的效果，弱金属-载体相互作用诱导不可还原Al2O3载体上的Pt形成纳米颗粒，提高了NH3-SCO催化活性。相反，强金属-载体相互作用则促使可还原性CeO2载体上的Ir分散成单原子状态，并形成Ir-O-Ce配位结构。该单原子Ir-O-Ce结构中形成了缺电子活性氧物种，显著促进了NH3的解离，提高了NH3-SCO的低温活性。这一发现揭示了金属-载体相互作用强度对催化剂电子结构和几何构型的影响，为开发高效催化剂提供新策略。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请贺泓院士进行了专访，请他为大家进一步解读。

CellPress：

请简要概述这项工作的亮点。

贺泓院士：

该工作揭示了金属-载体相互作用（MSI）对Pt和Ir基催化剂在NH3选择性氧化中的反向影响，弱MSI导致不可还原Al2O3载体上形成金属纳米颗粒，而强MSI则促进在可还原CeO2载体上形成单原子金属，进而优化了催化剂的活性位点结构，提升了低温催化性能。

CellPress：

研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？

贺泓院士：

研究初期面临实验数据关联性弱的挑战，团队通过系统性结构解析与反应机理推演，最终建立金属-载体相互作用（MSI）反向调控的理论框架。

CellPress：

团队下一步的研究计划是怎样的？

贺泓院士：

未来可进一步优化载体性质，提高MSI强度并诱导单原子位点/双原子位点的形成，探索多原子协同催化的可能性，结合不同金属的优势实现更高性能的催化剂设计。

CellPress：

最后，请您与我们分享一下选择Chem Catalysis的原因。

贺泓院士：

Chem Catalysis凭借其严谨高效的审稿流程和特色鲜明的创新成果刊载，在创刊四年内迅速崛起为领域内的具有较高影响力期刊，我们很看好其广阔的发展前景。

作者介绍

刘建华

硕士研究生

刘建华，2023届硕士毕业生。2020年本科毕业于中南大学，随后加入中国科学院生态环境研究中心贺泓院士团队。研究方向是贵金属催化剂用于氨催化氧化研究。

刘帝儒

硕士研究生

刘帝儒，2020年本科毕业于北京航空航天大学，随后加入中国科学院生态环境研究中心贺泓院士团队。研究兴趣是可再生能源制氢等。

徐光艳

研究员

徐光艳，中国科学院生态环境研究中心研究员，华南理工大学学士（2012），中国科学院大学博士（2018）。研究方向为大气污染与温室气体控制化学与技术，主持国家重点研发计划青年项目、国家优秀青年科学基金/面上/青年项目、中科院先导科技课题和企业技术合作项目等科研项目。在Nat. Commun.、Environ. Sci. Technol.和Chem Catal.等国际著名期刊发表40余篇学术论文，申请20余项发明专利。

贺泓

院士

贺泓，中国工程院院士，中国科学院生态环境研究中心研究员，中国科学院城市环境研究所所长。研究方向为环境催化和非均相大气化学过程，系统研究大气复合污染形成机理、催化剂与催化反应体系设计和大气污染物催化净化新原理、新方法及其应用，取得了柴油车排放污染控制、室内空气净化和大气灰霾成因研究方面的系列成果，以第一完成人获国家技术发明二等奖（2011）、国家科技进步二等奖（2014）和国家自然科学二等奖（2019）；2017年获何梁何利基金科学与技术创新奖；2020年全国创新争先奖状。发表学术论文600余篇，总被引35000余次；申请国家发明专利60余项。