铂锡合金催化剂: 提升能源转化效率的关键！

【研究背景】

随着催化剂在能源转化和化学合成中的重要性日益增加，基于铂-锡（Pt-Sn）合金的催化剂因其优异的催化性能而成为研究热点。铂催化剂在各种反应中展现出高活性，但其高成本和稀缺性限制了实际应用。而铂-锡合金催化剂不仅能提高反应效率，还能降低铂的用量，具有显著的经济性和可持续性。然而，Pt-Sn催化剂在反应选择性和稳定性方面仍存在挑战，例如催化剂表面结构的复杂性及其在反应过程中的失活现象。

有鉴于此，中国科学技术大学曾杰、Hongliang Li等携手开展了大量工作以优化Pt-Sn催化剂的性能。通过调节铂与锡的比例、改进载体材料（如γ-Al2O3）以及使用先进的表征技术（如XAFS、DRIFTS等），科学家们探索了催化剂的表面特性与反应性能之间的关系。研究表明，优化的Pt-Sn/γ-Al2O3催化剂在液相和气相反应中表现出优异的转化率和选择性。例如，通过脉冲化学吸附法测定的表面铂原子数和催化反应的动力学研究，证明了这种催化剂在丙烷重整及其他烷烃转化反应中的高效性。

【表征解读】

本文通过多种表征手段，如CO脉冲吸附、DRIFTS、XAFS等，深入探讨了PtSn/γ-Al2O3催化剂的微观特性，揭示了其在催化反应中的优越性能。首先，通过CO脉冲化学吸附实验，作者计算出PtSn/γ-Al2O3中表面Pt原子的浓度，得出其TOF值为41.3 h⁻¹，这一结果表明PtSn合金的活性位点数目和分布对催化效率有重要影响。

针对催化过程中观测到的产物分布现象，作者运用DRIFTS表征了不同吸附状态的CO分子，发现PtSn/γ-Al2O3上CO的线性吸附与桥接吸附比为18.5，表明其表面Pt-Pt聚集体较少，这可能与Sn原子的稀释效应有关。进一步的XAFS分析揭示了Pt和Sn原子的配位环境变化，证实了PtSn合金的形成以及孤立SnOx颗粒的存在，为催化性能的提升提供了重要线索。

在此基础上，通过热重分析(TGA)和原位XAS等表征手段，作者观察到了催化剂在反应条件下的稳定性与结构变化。结果显示，PtSn/γ-Al2O3在高温下保持良好的催化活性，并未发生明显的颗粒聚集或失活，这为其在实际应用中的可靠性提供了支持。

【图文解读】

图1：丙酮合成策略

图2：PtSn/γ-Al2O3的结构表征

图3：丙烷湿重整反应的催化性能

图4：质谱研究。

图5：时间依赖的原位DRIFTS研究

图6：湿重整策略的洞察与普遍性

【结论展望】

本文的研究揭示了铂锡合金催化剂在烃类重整反应中的优越性能，特别是在潮湿条件下对丙烷和其他烷烃的催化效果。通过脉冲吸附和X射线吸收光谱等先进表征手段，作者成功地展示了PtSn/γ-Al2O3催化剂中铂原子的分布及其与锡原子的相互作用，提供了催化活性的深入理解。这些结果不仅验证了铂锡合金在催化反应中的潜力，还强调了合金化对催化剂性能的重要性。

此外，本文还探讨了催化反应中的反应机理，揭示了不同烃类底物在催化剂表面上反应的选择性。研究结果表明，通过优化催化剂的组成和结构，可以显著提升其催化性能，为未来催化剂的设计与应用提供了新的思路和方向。总的来说，该研究为提升催化剂效率和选择性提供了重要的理论基础，为实现更高效的化学转化过程铺平了道路。

参考文献：Ma, X., Yin, H., Pu, Z. et al. Propane wet reforming over PtSn nanoparticles on γ-Al2O3 for acetone synthesis. Nat Commun 15, 8470 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-52702-x