研究背景
負載于氧化鋁上的氧化鈰（ceria）納米顆粒廣泛應用于多種催化反應中，尤其在與鉑族金屬（PGMs）共同使用時更為常見。
鑒于此，美國西北國家實驗室János Szanyi教授、Konstantin Khivantsev；索菲亞大學Hristiyan A. Aleksandrov、華盛頓州立大學王勇以及新墨西哥大學Abhaya Datye 教授合作在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“Transforming ceria into 2D clusters enhances catalytic activity”的最新論文。該團隊發(fā)現，在含有CO和NO的水蒸氣環(huán)境中對這些催化劑在750至約1000?°C下進行處理（即在還原氣氛中的反應性處理）會使氧化鈰納米顆粒重新分散為高密度、約為單原子層厚度的二維CexOy結構。
該現象經顯微鏡、X射線光電子能譜（XPS）、X射線吸收光譜（XAS）、紅外光譜和密度泛函理論（DFT）計算所證實。覆蓋氧化鋁表面的這些二維結構表現出顯著增強的氧遷移率和儲氧能力，能夠更容易地釋放氧并形成Ce3?位點與氧空位。
因此，這些催化劑——無論是否含有PGMs（如Rh和Pt）——在多種工業(yè)重要反應中（包括NO和N2O還原、CO和NO氧化）表現出更佳的催化活性，且即使在經歷嚴苛的老化處理后仍保持性能。這項研究揭示了一種在通常會導致燒結的不利條件下依然展現優(yōu)異氧化還原性能的催化劑結構，為實現更高效的金屬–氧化鈰催化劑提供了新的路徑。
研究亮點
1.實驗首次通過反應性高溫老化處理（HTA）在CO和NO的蒸汽環(huán)境中，成功地將鈰（Ce）納米粒子分散成二維CexOy結構，且該結構厚度約為單原子層，分布在鋁土礦（Al2O3）表面。
2.實驗通過高角度環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（AC-STEM）、X射線光電子能譜（XPS）、X射線吸收譜（XAS）、紅外光譜和密度泛函理論（DFT）計算等技術，確認了這些二維CexOy結構在提高氧的遷移性和存儲能力方面的優(yōu)越性，并且能夠有效形成Ce3+位點和氧空位。
3.研究表明，處理后的CeAl催化劑表現出在多個工業(yè)重要反應中的顯著催化活性提升，包括NO還原、N2O還原、CO氧化和NO氧化，即使在惡劣的老化條件下，催化性能仍保持良好。
4.通過在800-950°C的溫度下進行反應性老化處理，實驗發(fā)現這些CeAl催化劑在經受反應性高溫老化處理后，NO還原活性得到了增強，而在常規(guī)的高溫老化（HTA）處理中則表現出活性損失。
圖文解讀
圖1：CeAl催化劑的催化活性
圖2：顯微結構表征
圖3：表征結果與機理示意圖。
圖4：Rh/CeAl催化劑的催化活性。
結論展望
本文的研究揭示了氧化鈰催化劑在高溫還原氣氛下形成二維CexOy結構的新機制，并展示了這一新結構在多種工業(yè)催化反應中的優(yōu)異性能。通過反應性處理，氧化鈰納米顆粒能夠分散為一個原子層厚的二維CexOy結構，顯著增強了催化劑的氧遷移能力和儲存能力。
這一發(fā)現不僅打破了傳統對氧化鈰結構穩(wěn)定性的理解，還為設計高效的金屬-氧化鈰催化劑提供了新的思路。特別是在CO/NO氧化和N2O還原等關鍵工業(yè)反應中，二維CexOy結構催化劑的反應活性明顯優(yōu)于傳統的氧化鈰納米顆粒催化劑。此外，本文還表明，通過將貴金屬（如Rh和Pt）加載在氧化鈰上，可以進一步提高催化性能，特別是在柴油氧化反應中。這一研究為提高催化劑的抗燒結能力和耐高溫性能提供了新的途徑，也為未來在汽車排放控制和其他工業(yè)催化應用中開發(fā)更高效的催化劑提供了理論依據和實踐指導。
原文詳情：
Khivantsev, K., Pham, H., Engelhard, M.H. et al. Transforming ceria into 2D clusters enhances catalytic activity. Nature (2025).
https://doi.org/10.1038/s41586-025-08684-x
