​北化工/北大/北科JACS：构建嵌入式结构Pt/CeO2，用于稳定催化水煤气变换反应

就几何效应而言，金属-载体界面上氧空位的形成最具代表性，它通常作为各种涉及含氧物种的多相催化反应的活性位点。在某些情况下，负载的金属纳米团簇的晶格畸变(压缩或膨胀)引起电子性质的变化，会影响反应物物质的吸附和解离。

值得注意的是，金属相进入氧化物载体的包埋策略已被用于抑制金属烧结和提高催化剂的稳定性。与电子结构相比，金属-载体界面处几何结构的微观表征非常具有挑战性，这阻碍了对几何效应的深入探索和研究。此外，一些基本问题仍未得到解决。例如，是电子效应与几何效应密切相关，还是几何结构对金属粒子的电子结构和稳定性有重要影响?

近日，北京化工大学卫敏、杨宇森、北京大学马丁和北京科技大学邢献然等选择Pt/CeO₂作为模型催化剂，系统地研究了几何结构与电子结构之间的内在联系。具体而言，研究人员以CeO₂(110)和CeO₂(100)为载体制备了负载型超细Pt团簇(约1.6 nm)，考察了其在水煤气变换反应(WGSR)中的催化性能。

基于ac-HAADF-STEM、SR-XRD和EXAFS，在Pt/CeO₂(110)催化剂的金属-载体界面处发现了独特的部分嵌入结构，其中Pt原子进入CeO₂(110)的晶格中的3-4个原子层，而这种现象在CeO₂(100)载体中不存在。

实验研究和理论计算综合研究表明，这种几何结构在Pt/CeO₂(110)中诱导了显著的电荷转移，导致Pt物种的电子密度减少和Pt^δ+-O_V-Ce³⁺界面位点的形成，并且该位点作为优化CO化学吸附和促进H₂O解离的内在活性中心，这是Pt/CeO₂(110)具有优异催化性能的原因。此外，这种机械嵌入构型对于保证金属团簇的稳定性和催化剂的使用寿命起着至关重要的作用。

结果表明，不同晶面对金属相的嵌入策略有较大影响，与CeO₂(100)晶面相比，缺陷密度较高的CeO₂(110)晶面更有利于金属相的嵌入。综上，该项工作所提到互嵌结构证明负载型金属催化剂的几何效应和电子效应之间存在着密切的联系，这为合理设计稳定性大幅度提高的负载型金属催化剂奠定了基础。

Highly stable Pt/CeO₂ catalyst with embedding structure toward water–gas shift reaction. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c12061