近日，菠菜导航化工学院、化学工程联合国家重点实验室段学志教授等采用介观动力学研究方法，针对工况条件下铂-钴（Pt-Co）双金属催化剂活性位结构动态变化的难题，揭示了Pt-Co双金属催化剂在不同反应条件下的界面重构现象，以及不同界面位点间的协同作用并定量其性能影响，为设计和优化高效Pt基双金属催化剂提供了新的理论基础和实践指导。相关成果以“Restructuring the interfacial active sites to generalize the volcano curves for platinum-cobalt synergistic catalysis”为题发表在《自然通讯》（Nature Communications 2024, 15, 8995）上。
Pt催化剂以其卓越的催化特性，在能源转化、环境治理等领域扮演着举足轻重的角色。然而，受限于Pt金属的高昂成本和稀缺资源，科研工作者们一直在寻找更为经济且高效的替代品，其中Pt基双金属催化剂因其出色的催化性能和相对较低的成本而备受瞩目。多年来，尽管研究人员已经对双金属界面的化学组成、形态结构和电子特性的变化有了深入的了解，但预测这些变化如何精确调变Pt基双金属催化剂的几何和电子性质，并定量关联其催化性能，仍是科学界亟待攻克的难题。
图片说明：Pt基双金属催化剂的反应性能调变
针对Pt-Co双金属催化剂，研究团队结合多重显微和光谱表征、多尺度模拟、同位素标记和稳态同位素瞬态动力学分析（SSITKA）等技术，揭示了载体和吸附质引起的颗粒结构变化。发现在强Pt-C键（金属-载体界面）和Co-O键（金属-吸附质界面）的驱动下，随着Co在Pt催化剂中的掺杂，首先形成富含Pt的合金，并伴有孤立的Co物种；进一步，Co偏析到Pt催化剂表面，形成外延的CoOx氧化层和邻近的Co3O4簇；最终颗粒结构坍塌为无定形的合金。
图片说明：Pt基双金属催化剂结构的动态变化
通过进一步探究活性位点稳定性和相关反应机理，揭示了不同界面位点间的协同作用，辨识了不同反应的主控活性位点：在CO氧化过程中，Pt-Co合金与相邻的Co3O4团簇不仅能降低Pt电子密度以弱化CO的吸附，还能提供丰富的晶格氧物种。在氨硼烷水解过程中，Pt-Co合金和外延CoOx覆盖层分别作为氨硼烷和水活化的活性位点，显著促进了氢气的生成。在HER反应过程中，Pt-Co合金可以避免外延CoOx或相邻Co3O4簇的空间位阻效应，其颗粒内的d轨道杂化可显著降低Pt的d带中心。这些协同效应的发现和主控活性位点催化性能的量化，为构建与传统的组分/尺寸依赖火山曲线不同的协同效应依赖火山曲线提供了可能，从而架起双金属催化中理论模型和实验观察之间的“桥梁”。
该论文的第一作者为十大菠菜导航网化工学院陈文尧博士、施尧博士、刘长伟博士以及郑州交通大学任洲宏博士，通讯作者为十大菠菜导航网化工学院段学志教授、化学与分子工程学院练成教授、郑州交通大学化学化工学院刘晰副教授。该研究得到了袁渭康院士、陈德院士等的悉心指导。此外，该研究还得到了国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、郑州市碳中和基础研究特区项目、郑州市教委科研创新计划自然科学重大项目、郑州市科委科技创新行动计划等项目的支持。