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北大/金屬所Nature子刊：100%選擇性！Pt-Fe/ND@G實(shí)現(xiàn)CO完全轉(zhuǎn)化

時(shí)間：2022-11-19 來源： 瀏覽：

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在氫氣中優(yōu)先氧化CO（PROX）是一種很有前途的氫氣凈化方法，可避免富含氫氣的燃?xì)庵形⒘緾O對(duì)催化劑的毒害。
基于此， 北京大學(xué)馬丁教授和中科院金屬研究所劉洪陽研究員（共同通訊作者）等人 報(bào)道了一種新型催化劑，完全暴露的Pt-Fe雙金屬團(tuán)簇固定在缺陷石墨烯/納米金剛石（ND@G）雜化載體上（Pt-Fe/ND@G），其中原子分散和完全暴露的Pt團(tuán)簇與相鄰的Fe原子結(jié)合，提供豐富的Pt-Fe界面。
Pt-Fe/ND@G在低溫下可以高效優(yōu)先氧化CO, 并且CO完全轉(zhuǎn)化和100%選擇性。在超低金屬負(fù)載下表現(xiàn)出優(yōu)異的氧化活性，在30 ℃時(shí)CO氧化的質(zhì)量比反應(yīng)速率高達(dá)6.19 (mol CO )* (g Pt ) -1  *h -1 。
DFT計(jì)算，以了解Pt-Fe/ND@G的CO氧化機(jī)理。首先構(gòu)建了以4個(gè)Pt原子和1個(gè)Fe原子錨定在石墨烯（Gr）上的Pt 4 Fe 1 @Gr模型，模擬了ND@G上完全暴露的Pt-Fe團(tuán)簇。
在Pt 4 Fe 1 @Gr模型上，CO更傾向于吸附在Pt系合位點(diǎn)上，而O 2 則吸附在Pt-Fe界面上。當(dāng)CO分子被吸附到Pt位點(diǎn)（5CO*）上時(shí)，被吸附的氧在0.1 eV的低勢(shì)壘下容易解離，其中一個(gè)O*嵌在Pt 4 Fe 1 上形成穩(wěn)定的活性結(jié)構(gòu)（Pt 4 Fe 1 @Gr），其他O*與吸附在相鄰Pt位點(diǎn)上的CO反應(yīng)，勢(shì)壘為0.56 eV，析出CO 2 。
隨后，在碳空位錨定的Pt-Fe界面上，吸附的CO和O2容易發(fā)生反應(yīng)，生成勢(shì)壘為0.21 eV的OCOO*中間體，進(jìn)而生成勢(shì)壘為0.46 eV的CO 2 。
0.75Pt0.1Fe/ND@G在30 ℃時(shí)其活性增加，當(dāng)Fe摻雜量為0.2 wt%時(shí)，氧化活性達(dá)到最大值，而Fe負(fù)載量的進(jìn)一步增加則性能降低。
對(duì)不同F(xiàn)e負(fù)載的催化劑的動(dòng)力學(xué)研究表明，負(fù)載在ND@G上的一系列Pt-Fe催化劑相似的表觀激活勢(shì)壘明顯低于0.75Pt/ND@G，表明不同的Pt-Fe催化劑之間的反應(yīng)機(jī)理或活性位點(diǎn)不同。
Fully-exposed Pt-Fe cluster for efficient preferential oxidation of CO towards hydrogen purification.  Nat. Commun.,  2022 , DOI: 10.1038/s41467-022-34674-y.
https://doi.org/10.1038/s41467-022-34674-y.
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