锁定亚稳态晶格氧：一种加速氧化还原循环的新途径

近年来，随着我国经济的迅猛发展，环境污染日益严重，其中大气污染尤为突出。采用催化氧化或氧化还原反应可高效去除工厂废气和汽车尾气等污染源中的气相污染物，如CO等。然而，目前常用的氧化物催化剂尚无法满足日益提高的排放标准。

由氧化物中晶格氧参与的氧化还原循环是催化氧化反应中的关键过程。其中，晶格氧的释放速率是该循环的速控步骤，因此，增强晶格氧的活性，从而加速氧化还原循环，是促进催化氧化反应的重要手段。如何最大限度地提升氧化物催化材料中晶格氧的活性成为亟待解决的问题。近日，中国科学院大连化学物理研究所的孙剑和俞佳枫研究团队巧妙利用火焰喷射法（Flame spray pyrolysis, FSP）的高温淬火特点，在保证氧化物晶体形成的同时，抑制其原子重新排布过程，将晶格氧锁定在过饱和的亚稳定状态。该过程削弱了氧化物中金属-氧之间的相互作用，增加了晶格氧的无序度，从而提高了其脱附活性。研究发现，新鲜制备的Ce-Zr固溶体氧化物中未发现氧空位，说明亚稳态的晶格氧在催化剂中可稳定存在。而在极温和的条件下（如室温CO气氛、真空处理、担载金属等）即可释放大量活泼氧，为CO催化氧化反应提供更多的活性位。与共沉淀法制备的Ce-Zr氧化物相比，采用FSP方法制备的氧化物在室温CO气氛下所能提供的氧空位数量增加了19倍。与传统Ce-Zr氧化物催化剂规律相反，FSP法制备的催化剂上CO氧化反应速率随Zr含量增加而增大。当Zr含量为75%时，反应速率较传统催化剂提高了10倍。

图1. 原位拉曼表征: 2%CO/He气氛下催化剂上氧空位的产生过程（a、b和c为FSP法制备的不同比例的Ce-Zr氧化物；d、e和f为共沉淀法制备的不同比例的Ce-Zr氧化物）。图片来源：Chem. Sci.

图2. 亚稳态Ce-Zr氧化物的形成及其变化示意图。图片来源：Chem. Sci.

该亚稳态氧化物催化剂的设计为加速氧化还原循环提供一种新途径，并强调了除了催化剂组成的调变之外，对氧化物晶体在形成过程中原子排布的高效控制对催化性能也有非常重要的作用。该研究为新型高效的氧化物催化材料的构建和应用提供了新思路。

相关研究成果已在线发表于Chemical Science，通讯作者是孙剑副研究员和俞佳枫副研究员，第一作者是硕士生张哲和俞佳枫副研究员。

该论文作者为： Zhe Zhang, Jiafeng Yu, Jixin Zhang, Qingjie Ge, Hengyong Xu, Felix Dallmann, Roland Dittmeyer and Jian Sun

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Tailored Metastable Ce-Zr Oxides with Highly Distorted Lattice Oxygen for Accelerating Redox Cycles

Chem. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C8SC00729B

导师介绍

孙剑

http://www.x-mol.com/university/faculty/38325