清华王定胜Adv. Mater. : 缺陷对于TiO2纳米片的影响——单原子位点金的稳定以及催化性能提升

【引言】

单原子位点催化剂由于其在电池、催化等领域出色的应用，近年来吸引了大量的研究兴趣，其不仅减少了贵金属的使用也提升了催化活性。尽管其具有众多优势，高表面能的单原子金属位点具有高度的移动性，在合成和催化过程中倾向于形成聚集体，降低了单原子催化剂的稳定性。为解决单原子催化剂稳定性差的问题，研究人员采取了大量策略来制备稳定性的良好单原子催化剂。金属氧化物是理想的催化剂基底，其中金属氧化物的缺陷工程能够调节材料特性，为催化、器件以及物理特性调控提供了新的机遇。然而，到目前为止，关于缺陷对于单原子催化剂设计的影响的研究较少，这仍然是该领域的一大挑战。

【成果简介】

近日，清华大学王定胜教授(通讯作者)等通过在基底表面上构造缺陷以稳定单原子位点金属，并在Adv. Mater.上发表了题为“Defect Effects on TiO₂Nanosheets: Stabilizing Single Atomic Site Au and Promoting Catalytic Properties”的研究论文。作者制备了缺陷TiO2纳米片负载单原子位点Au。研究发现：(1)TiO₂纳米片表面缺陷可以通过形成Ti-Au-Ti结构有效地稳定Au单原子位点；(2)Ti-Au-Ti结构也可以通过降低能量势垒以及缓解Au单原子位点的竞争吸附进而提升催化性能。相信上述工作能够为设计稳定和活跃的氧化物基底负载单原子位点催化剂提供方法上的支持。

【图文简介】

图1 Au-SA/Def-TiO₂的制备和形貌

a) Au-SA/Def-TiO₂的制备示意图；

b) Au-SA/Def-TiO₂的TEM图像；

c) Au-SA/Def-TiO₂的纵向TEM 图像(内插：选区HRTEM图像)；

d) Au-SA/Def-TiO₂的HAADF-STEM图像，单原子Au位点以红圈标注；

e) Au-SA/Def-TiO₂的元素分布[钛(蓝色)和金(红色)]。

图2 (Def-)TiO₂的结构表征

a) (Def-)TiO₂的XRD图谱；

b) (Def-)TiO₂的EPR图像；

c) (Def-)TiO₂的O1s XPS谱图；

d) (Def-)TiO₂的Ti 2p XPS谱图；

e) (Def-)TiO₂的XANES谱图，红色区域为近边吸收能量；

f) (Def-)TiO₂的Ti L3-边 XANES谱图。

图3 Au-SA/Def-TiO₂的表面元素和精细结构分析

a) Au-SA/Def-TiO₂的Au 4f XPS谱图；

b) Au-SA/Def-TiO₂的XANES谱图；

c) Au L3-边的傅里叶变换；

d-f) Au-SA/Def-TiO₂、金箔和金纳米粒子的WT；

g) 金附近的局部原子结构。

图4 Au-SA/Def-TiO₂的催化性能和DFT计算

a) CO氧化的催化性能；

b) 稳定性测试；

c) Au-SA/Per-TiO₂和Au-SA/Def-TiO₂自由能路径；

d) CO氧化过程模型示意图；

e) DFT计算。

【小结】

研究人员制备了缺陷TiO₂纳米片负载单原子Au位点，其表面具有Ti-Au-Ti三中心结构，不仅可以提升单原子位点Au的稳定性，而且通过降低能量势垒以及缓解Au单原子位点的竞争吸附进而提升催化性能。上述结果在下一代高效单原子催化剂的发展中应用前景广阔。

文献链接：Defect Effects on TiO₂Nanosheets: Stabilizing Single Atomic Site Au and Promoting Catalytic Properties(Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201705369)

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