设计热力学稳定的贵金属单原子光催化剂用于乙醇的高效非氧化转化形成高纯氢和增值产物乙醛

摘要

光催化剂固有的表面原子构型,通常缺乏不稳定或难以生成的原子空位,这往往限制了金属单原子（MSA）助催化剂与光催化剂之间有效相互作用的形成,从而抑制了单原子光催化剂的稳定性和性能提升。在本研究中,我们提出了一种简便且经济的光化学氧还原反应（ORR）机制,用于在温和条件下（仅消耗水和氧气,压力为101325 Pa,温度为25℃）在TiO₂光催化剂上制备热力学稳定的贵金属单原子助催化剂。第一性原理模拟首次从理论上揭示了TiO₂的固有表面构型仅能产生不稳定的Pt—O₂结构。然而,TiO₂上发生的ORR不仅能够提供一个外来氧与Pt单原子（PtSA）配位,还能诱导一个表面晶格氧向PtSA移动,从而促进热力学稳定的Pt—O₄物种的形成,这一点通过在氧气氛围而非惰性氛围中实验合成TiO₂上的PtSA得到了验证。所获得的稳定PtSA-TiO₂光催化剂在共生产高纯度氢气和附加值乙醛时,表现出320.4mmol·g^-1·h^-1的光催化速率,选择性高达99.65%,其活性是负载Pt纳米颗粒的TiO₂的三倍。该策略进一步扩展至其他贵金属,如Rh和Pd。

关键词

金属单原子 / 表面重构 / 热稳定性 / 光催化 / 氢气