大连化物所傅强团队，最新Nature子刊！

第一作者：Yamei Fan， Rongtan Li

通讯作者：傅强

通讯单位：中国科学院大连化学物理研究所

论文速览

本研究提出了一种在室温下通过O2-H2O处理重分散烧结Cu催化剂的简单方法。通过原位光谱表征揭示了H2O在潮湿O2中诱导形成羟基化Cu物种，推动Cu原子在室温下的表面扩散。

此外，表面OH基团在如γ-Al2O3、SiO2和CeO2等大部分可羟基化的支持表面上形成，有助于拉动移动的Cu物种并增强Cu的重分散。

这些发现突出了H2O在支持金属纳米催化剂动态结构演变中的重要作用，并为在温和条件下再生烧结催化剂奠定了基础。

图文导读

图1 | Cu NPs在室温下空气中自发重分散。展示了2Cu/AlOOH-900在不同气氛（空气、Ar、CO2、N2、Ar-H2O、O2和O2H2O）中处理30分钟的原位UV-Vis光谱和EPR光谱，以及不同处理后的HAADF-STEM图像。

图2 | H2O对Cu NPs重分散过程的影响。展示了2Cu/AlOOH-900在不同气氛中处理的原位UV-Vis光谱，以及经过不同气氛处理4小时和8小时的准原位Cu K-edge EXAFS光谱和Cu 2p XPS光谱，以及基于Cu 2p XPS光谱计算的不同气氛中Cu-OH物种比例随时间的变化。

图3 | Cu前驱体对重分散过程的影响。展示了不同Cu前驱体与AlOOH-900物理混合物在Ar-H2O气氛中处理24小时的准原位EPR光谱，Cu(OH)2-AlOOH-900在水浸处理前后的EPR光谱和EDX映射图像，以及水浸处理后的HAADF-STEM图像。

图4 | γ-Al2O3表面OH含量对Cu分散阈值的影响。展示了不同Cu负载下xCu/AlOOH-900在O2和O2-H2O中处理的XRD模式，以及Cu (111)衍射峰与γ-Al2O3 (400)衍射峰的相对强度与Cu负载的关系。

图5 | 支持体对Cu NPs重分散的影响。展示了2Cu/BN和2Cu/Si3N4在O2-H2O处理24小时后的TEM图像，以及不同支持体在O2和O2-H2O气氛中处理24小时后的H-D交换曲线。

图6 | Cu基催化剂的催化性能。展示了2Cu/AlOOH-900催化剂在O2-H2O处理前后对RWGS反应的稳定性测试，以及5Cu/CeO2催化剂在O2-H2O处理前后对CO-PROX反应的催化性能。

亮点介绍

1. 提出了一种在室温下通过O2-H2O处理重分散烧结Cu催化剂的新方法，该方法无需高温处理，节能环保。

2. 原位光谱表征揭示了H2O在潮湿O2中诱导形成羟基化Cu物种，推动Cu原子在室温下的表面扩散，为催化剂再生提供了新思路。

3. 研究结果表明，通过O2-H2O处理的Cu催化剂在反向水煤气变换(RWGS)和一氧化碳优先氧化(CO-PROX)反应中表现出增强的活性。

4. 通过改变支持体表面OH基团的密度，可以调节Cu物种的分散阈值，从而实现Cu物种的高效重分散。

5. 研究还发现，Cu基催化剂在反应过程中发生的烧结可以通过简单的O2-H2O处理在室温下逆转，为催化剂的再生提供了一种有效的途径。

高端表征

在本论文中，作者运用了多种高端表征技术来深入研究Cu颗粒的重分散过程和机制。

1. 透射电镜 ：通过高分辨率透射电镜 (HR-TEM) 和高角环形暗场扫描透射电镜 (HAADF-STEM) 对催化剂样品进行了表征。这些技术使得研究者能够直接观察到Cu颗粒的尺寸和形态，以及它们在不同气氛处理后的分散状态。

特别是，HAADF-STEM图像清晰地显示了Cu单原子和超小团簇在γ-Al2O3上的分布情况，证实了在O2-H2O气氛中Cu颗粒能够完全重分散成单个原子。

2. 同步辐射 ：在室温下使用上海同步辐射设施 (Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF) 的BL11B光束线进行的准原位X射线吸收光谱 (XAS) 测量。通过这种方式，研究者能够在不同处理条件下获得Cu物种的化学状态信息，包括Cu的氧化态和配位环境的变化。

3. X射线吸收精细结构光谱 (XAFS)：结合X射线吸收近边结构 (XANES) 和扩展X射线吸收精细结构 (EXAFS) 分析，研究者能够对Cu物种的局域结构和化学环境进行深入分析。例如，通过分析EXAFS光谱中的Cu-Cu键特征峰，可以推断出Cu颗粒的重分散程度。

4. 原位测试：文章中还运用了原位测试技术，如原位紫外-可见光谱 (UV-Vis) 和电子顺磁共振 (EPR) 光谱，来监测Cu物种在不同气氛中随时间的结构演变。这些技术使得研究者能够在实际反应条件下实时观察催化剂的动态变化，为理解Cu颗粒重分散的机理提供了重要信息。

通过这些高端表征技术的综合应用，本论文的研究为理解Cu催化剂在实际应用中的稳定性和活性恢复机制提供了重要的实验依据。

文献信息

标题：Water-assisted oxidative redispersion of Cu particles through formation of Cu hydroxide at room temperature  

期刊：Nature Communications