中山大学ACS Catal.: 碱金属改性Pd团簇，促进HCHO和CO氧化

贵金属催化剂(Pt、Pd、Au、Rh等)因其高效去除气体污染物(VOCs、CO、CH₄等)的特性而在环境催化中获得了广泛关注。

然而，在实际应用中水分子(H₂O)经常被吸附在催化剂表面，导致活性位点中毒。克服这一问题的一个常见策略是提高催化剂的疏水性，例如通过在贵金属颗粒上构建薄的氧化层或在载体表面引入疏水基团。事实上，H₂O扮演着双刃剑的角色。

例如，在甲醛(HCHO)和一氧化碳(CO)的催化氧化中，H₂O可以参与发挥积极作用的反应。具体来说，H₂O分子可以被活化以产生表面羟基(-OH)物种，这些物种作为反应物或关键中间体的吸附和活化位点，对HCHO和CO氧化至关重要。因此，合理设计贵金属催化剂以同时提高H₂O活化和抑制过度吸附对于优化催化性能至关重要。

近日，中山大学黄海保课题组通过原位包封和碱金属改性策略，合理设计了一种具有高效H₂O活化和抗性的K_x-Pd@S-1催化剂。碱金属K的加入可以显著加速H₂O的活化，产生丰富的表面-OH物种，同时提高H₂O耐受性，即使在高湿度(RH=90%)条件下也是如此。Pd-O_x-K的构建为反应物提供了高效的吸附和活化位点。

HCHO和CO活性测试结果表明，与Pd@S-1相比，最佳的K_0.5-Pd@S-1表现出良好的低温氧化活性和耐久性。此外，循环试验表明，K_0.5-Pd@S-l表现出出色的重复性和稳定性，即使在5个测试循环后仍保持98%的HCHO转化率。

原位光谱表征结果显示，O₂和H₂O都参与了HCHO和CO的消除。K_0.5-Pd@S-1不仅加速了O₂的活化，还增强了H₂O的活化，产生了丰富的-OH种类。此外，DOM、HCOO^–和HCO₃^–是HCHO和CO氧化的关键中间体。-OH物种可以加速相应中间体的降解，避免催化剂失活，实现HCHO和CO的高效稳定去除。

此外，HCHO和CO在K_0.5-Pd@S-1上氧化的可能反应途径为：首先，HCHO和CO通过硅酸盐-1孔道的吸附被捕获，随后在Pd-O_x-K活性位点活化O₂和H₂O产生的O₂^–、O₂^2-和-OH将HCHO和CO氧化成中间物种(DOM、HCOO^–和HCO₃^–)，最后中间物种被活性氧物种氧化为CO₂和H₂O。

总的来说，该项工作增强了对贵金属催化剂中H₂O活化的认识，为设计高效耐用催化剂提供了新的策略，并且也为促进环境催化发展和解决空气污染问题铺平了道路。

Enhanced water activation via alkali metal-modified Pd clusters: A key to boosting HCHO and CO oxidation. ACS Catalysis, 2025. DOI: 10.1021/acscatal.4c07899

黄海保，华南理工大学学士、博士，清华大学、香港大学博士后，阿德莱德大学高级访问学者。现为中山大学“百人计划”引进教授、博士生/博士后导师，大气环境与污染控制学科带头人，粤港空气污染控制研究中心主任、广东省室内空气污染控制工程技术研究中心主任，入选国家重大人才工程计划。主要从事城市空气污染治理、工业有机废气治理、室内空气污染净化、环境催化材料以及碳减排和资源化等教学与研究工作，并取得重要原创性研究成果。第一(或通讯)作者在Nat. Commun.、JACS Au和ES&T等国际期刊发表SCI论文120余篇，H指数54，论文总被引用10000余次。