催化剂活性位点的准确指认对于催化反应的研究至关重要。随着原位表征技术的发展，越来越多的研究者发现在催化反应当中，催化剂的结构并非一成不变，而是在发生动态变化。在诸多的催化剂动态行为当中，原子级再分散是非常重要的一类，其中氧化性再分散现象的报道最为广泛。在氧化性气氛当中，金属团簇再分散为单原子的过程中往往会将配位不饱和的团簇转变为配位饱和的单原子位点，导致催化性能显著降低。因此在氧化反应当中如何避免金属团簇再分散为单原子具有重要意义。近日，中国科学技术大学曾杰教授（点击查看介绍）团队通过煅烧温度的调控，实现了在氧化反应中抗再分散的铂团簇催化剂的制备。

研究人员通过高温煅烧削弱了Pt/CeO₂催化剂的金属-载体相互作用，并且消除了催化剂大部分的表面羟基，阻断了铂团簇再分散为单原子的路径，进而避免了铂团簇在氧化性气氛下的再分散。不仅如此，高温煅烧提升了表面铈位点的氧化还原灵敏性，实现了更高的Ce³⁺生成速率。稳定的铂团簇以及更迅速的表面氧化还原动力学提升了催化剂的一氧化碳催化氧化性能。

AC-HAADF-STEM（图1a，b）以及CO-DRIFTS（图1c）表明不同煅烧温度制备的催化剂都体现出单原子催化剂的结构特征。H₂-TPR的结果显示高温煅烧的催化剂还原峰温度更低（图1d）。经过氢气还原，高温煅烧的催化剂展现出铂团簇的结构特征（图1e）。不同还原温度的CO-DRIFTS表明铂单原子转变为团簇的温度和H₂-TPR中的还原温度高度匹配（图1f）。这表明H₂-TPR的还原温度和Pt–O键的断裂温度密切相关，因此H₂-TPR的还原温度可以作为Pt-CeO₂相互作用强弱的描述符。

图1. Pt/CeO₂催化剂还原行为

Pt 4f的AP-XPS结果表明两个催化剂在300度氢气条件下都体现出零价铂占主导的特征，而当温度降到50度时，低温煅烧催化剂的零价铂比例显著降低（图2a，b），这是由氧化铈的反向氧溢流造成，体现出低温煅烧的催化剂拥有更强的Pt-CeO₂相互作用。当测试条件转变为一氧化碳氧化的反应气氛时，高温煅烧的催化剂仍有可观的零价铂物种，而低温煅烧的催化剂则被完全氧化（图2a，b）。NH₃-DRIFTS以及CO-TPR都表明高温煅烧后的催化剂羟基含量显著降低，不利于铂的再分散（图2c，d）。

图2. 催化剂再分散行为研究

Ce 3d的AP-XPS结果表明在氧化性气氛到还原性气氛切换的过程中，高温煅烧的催化剂可以产生更多的Ce³⁺位点（图3a–c）。Operando UV-vis的结果以及时间分辨的UV-vis结果表明高温煅烧的催化剂在CO + O₂ 到CO的气氛切换中可以产生更多的Ce³⁺，并且Ce³⁺的生成更加迅速（图3d，e，g，h）。高温煅烧的催化剂Ce³⁺生成的活化能也显著低于低温煅烧的催化剂（图3f，i），表明高温煅烧有利于提升Pt/CeO₂催化剂表面的氧化还原灵活性，促进催化反应的进行。

图3. 催化剂表面铈位点变价能力研究

小结

本文利用高温煅烧削弱Pt-CeO₂相互作用的同时去除催化剂表面羟基，维持了催化剂表面团簇在氧化反应中的稳定性。不及如此，催化剂表面的Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原循环被促进，将氧气的活化位点转移到界面Ce³⁺位点上，进而阻止了团簇的氧化再分散。

这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，文章的第一作者为中国科学技术大学博士生雷昊凡和北海道大学助理教授张宁强。

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）：

Thermally triggered redox flexibility of Pt/CeO₂ cluster catalyst against in-situ atomic redispersion

Haofan Lei^#, Ningqiang Zhang^#, Sunpei Hu, Fenglin Peng, Jiahai Zhou, Jian He, Lijun Zhang, Haiqian Wang, Chao Ma, Han Yan*, Ken-ichi Shimizu, and Jie Zeng*

Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202509239

曾杰教授简介

曾杰，安徽工业大学党委副书记、校长，中国科学技术大学讲席教授。1998年进入中国科学技术大学学习，2002年获应用化学学士学位，2008年获凝聚态物理博士学位，师从侯建国院士。2008年赴美，在美国圣路易斯华盛顿大学夏幼南教授研究团队工作。2012年，回到中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心任教授。2022年9月，受聘中国科学技术大学讲席教授，同年11月起任安徽工业大学党委常委、副校长。2025年1月，任安徽工业大学党委副书记、校长。入选国家杰出青年科学基金、国家高层次人才特殊支持计划科技创新领军人才、英国皇家化学会会士（FRSC），担任国家重点研发计划首席科学家。研究领域为二氧化碳催化转化技术。迄今为止，已在《自然》、《自然•纳米技术》、《自然•催化》、《自然•能源》、《自然•材料》、《自然•合成》、《自然•可持续性》、《自然•化工》等高影响力学术期刊发表了280篇论文，SCI总被引用29000余次，H因子为90，入选2019至2024年的全球高被引科学家名录。申请中美专利共98项，出版书籍5部。荣获发展中国家科学院化学奖、中国青年科技奖“特别奖”、科学探索奖、德国Falling Walls 科学突破奖、英国国际发明展年度国际发明“钻石奖”、中国化学会-赢创化学创新奖、侯德榜化工科学技术青年奖、中国材料研究学会科学技术奖一等奖、中国颗粒学会自然科学奖一等奖、中国科技产业化促进会科学技术一等奖、安徽省自然科学奖一等奖（两项）等奖项。研究成果入选国家“十三五”科技创新成就展、2022年中国十大科技进展新闻。

https://www.x-mol.com/university/faculty/73363