CeO₂负载单原子催化剂性质全解析：合成方法、结构特性及催化应用

CeO₂（二氧化铈）作为负载单原子金属的载体，近年来在催化领域展现出巨大的潜力。其独特的物理化学性质，如高氧存储能力、可逆的氧化还原行为以及丰富的表面缺陷结构，使其成为构建高效、稳定、高活性单原子催化剂（SACs）的理想选择。

本文华算科技将结合多篇文献中的研究成果，详细分析CeO₂负载单原子催化剂的合成方法、结构特性、催化性能及其在不同反应中的应用。

CeO₂作为一种多功能氧化物，其表面氧空位和Ce³⁺/Ce⁴⁺的可逆电子转移特性，使其能够与金属原子形成强相互作用，从而稳定单原子位点。文献中提到的多种合成方法，包括液相等离子体（LPP）法、原子层沉积法、湿法浸渍法等，均被用于制备CeO₂负载的单原子催化剂。

一种基于液相等离子体的同步策略，通过高通量电子和自由基环境，在CeO₂表面同时构筑氧空位和还原金属前驱体，实现了多种单原子金属（如Pt、Rh、Pd、Ru）的高效负载。

该方法不仅克服了传统方法中金属还原度低和载体锚定弱的问题，还显著提高了催化剂的稳定性和活性。此外，通过一步闪蒸燃烧法，成功合成了不同负载量的Pt和Pd单原子催化剂，并通过XRD、ICP、N₂吸附等手段验证了其单原子分散性。

CeO₂的晶体结构和表面缺陷对其与金属原子的相互作用至关重要。不同角度下的CeO₂晶体结构，其中黄色球代表Ce原子，红色球代表O原子，清晰地揭示了CeO₂的三维结构及其原子排列方式。

CeO₂晶胞中的氧空位结构，表明氧空位在CeO₂表面的分布对金属原子的锚定和催化活性具有重要影响。

CeO₂(111)表面的缺陷结构，其中包含氧空位和Ce³⁺离子，这些缺陷不仅增强了金属–载体相互作用，还促进了晶格氧的活化，从而提高了催化反应的效率。

通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和原子模型，展示了Cu原子嵌入CeO₂(111)表面的结构，表明金属原子与CeO₂之间的协同作用是催化性能的关键因素。

CeO₂负载的单原子催化剂在多种催化反应中表现出优异的性能。文献中研究了Au1/CeO₂催化剂在CO氧化反应中的性能，发现其在光辅助下表现出高达91.7%的CO转化率和1.3s^-1的转化频率，远高于传统纳米颗粒催化剂。

通过理论计算和实验验证，发现Pt1/CeO₂在甲烷催化氧化反应中表现出最佳活性，其活性顺序为Pd>Rh>Ir>Ru>Pt。

Pt1/CeO₂在甲烷干重整（DRM）反应中的性能，发现其在800°C时仍能保持较高的反应速率和稳定性，表明其在高温催化反应中的优越性。

多种CeO₂负载的贵金属复合催化剂，通过调节金属–载体相互作用，实现了对催化活性和选择性的全面优化。

CeO₂负载的单原子催化剂在多个催化反应中具有广泛的应用前景。CeO₂已被广泛应用于三元催化、水处理、乙苯催化脱氢等过程，并在燃料电池、水煤气变换反应（WGS）等领域展现出巨大的潜力。

CeO₂负载的Pt和Pd催化剂在VOCs催化氧化中的应用，发现其在高温热处理后仍能保持较高的催化活性。

CeO₂负载的Pt单原子催化剂在NH₃选择性催化氧化反应中表现出优异的活性，其催化活性顺序为Pt/CeO₂>Ag/CeO₂>Rh/CeO₂>Pd/CeO₂。CeO₂负载的非金属Au和Pt物种在水煤气变换反应中表现出优异的活性，表明其在工业催化中的重要性。

尽管CeO₂负载的单原子催化剂在多个领域展现出优异的性能，但仍面临一些挑战。例如，如何在不同反应条件下保持单原子位点的稳定性，以及如何通过结构调控进一步优化催化性能，是当前研究的重点。通过Ru纳米颗粒的再分散，可以定量测定载体稳定单原子的容量，为未来的研究提供了新的思路。

通过原位DRIFTS和XAS实验，研究了CeO₂支持的晚期过渡金属（Ru、Rh、Pd、Ir、Pt）的动态结构变化，发现Pt²⁺和Pd²⁺更倾向于形成簇，而Rh³⁺和Ru⁴⁺作为单个位点稳定，这未来催化剂的设计提供了理论依据。

CeO₂作为负载单原子金属的载体，凭借其独特的物理化学性质，已成为构建高效、稳定、高活性单原子催化剂的理想选择。通过多种合成方法，如液相等离子体法、原子层沉积法等，可以实现多种金属单原子的高效负载。

CeO₂的晶体结构和表面缺陷对其与金属原子的相互作用至关重要，而单原子位点的稳定性、催化活性和选择性则取决于金属–载体相互作用的强度和结构调控。

未来的研究应进一步探索CeO₂负载单原子催化剂的结构–性能关系，优化其在不同反应中的应用，为绿色化学和可持续发展提供有力支持。