第一作者：Yamei Fan， Rongtan Li

通訊作者：傅強

通訊單位：中國科學院大連化學物理研究所

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本研究提出了一種在室溫下通過O2-H2O處理重分散燒結Cu催化劑的簡單方法。通過原位光譜表征揭示了H2O在潮濕O2中誘導形成羥基化Cu物種，推動Cu原子在室溫下的表面擴散。

此外，表面OH基團在如γ-Al2O3、SiO2和CeO2等大部分可羥基化的支持表面上形成，有助于拉動移動的Cu物種并增強Cu的重分散。

這些發(fā)現突出了H2O在支持金屬納米催化劑動態(tài)結構演變中的重要作用，并為在溫和條件下再生燒結催化劑奠定了基礎。

圖文導讀

圖1 | Cu NPs在室溫下空氣中自發(fā)重分散。展示了2Cu/AlOOH-900在不同氣氛（空氣、Ar、CO2、N2、Ar-H2O、O2和O2H2O）中處理30分鐘的原位UV-Vis光譜和EPR光譜，以及不同處理后的HAADF-STEM圖像。

圖2 | H2O對Cu NPs重分散過程的影響。展示了2Cu/AlOOH-900在不同氣氛中處理的原位UV-Vis光譜，以及經過不同氣氛處理4小時和8小時的準原位Cu K-edge EXAFS光譜和Cu 2p XPS光譜，以及基于Cu 2p XPS光譜計算的不同氣氛中Cu-OH物種比例隨時間的變化。

圖3 | Cu前驅體對重分散過程的影響。展示了不同Cu前驅體與AlOOH-900物理混合物在Ar-H2O氣氛中處理24小時的準原位EPR光譜，Cu(OH)2-AlOOH-900在水浸處理前后的EPR光譜和EDX映射圖像，以及水浸處理后的HAADF-STEM圖像。

圖4 | γ-Al2O3表面OH含量對Cu分散閾值的影響。展示了不同Cu負載下xCu/AlOOH-900在O2和O2-H2O中處理的XRD模式，以及Cu (111)衍射峰與γ-Al2O3 (400)衍射峰的相對強度與Cu負載的關系。

圖5 | 支持體對Cu NPs重分散的影響。展示了2Cu/BN和2Cu/Si3N4在O2-H2O處理24小時后的TEM圖像，以及不同支持體在O2和O2-H2O氣氛中處理24小時后的H-D交換曲線。

圖6 | Cu基催化劑的催化性能。展示了2Cu/AlOOH-900催化劑在O2-H2O處理前后對RWGS反應的穩(wěn)定性測試，以及5Cu/CeO2催化劑在O2-H2O處理前后對CO-PROX反應的催化性能。

亮點介紹

1. 提出了一種在室溫下通過O2-H2O處理重分散燒結Cu催化劑的新方法，該方法無需高溫處理，節(jié)能環(huán)保。

2. 原位光譜表征揭示了H2O在潮濕O2中誘導形成羥基化Cu物種，推動Cu原子在室溫下的表面擴散，為催化劑再生提供了新思路。

3. 研究結果表明，通過O2-H2O處理的Cu催化劑在反向水煤氣變換(RWGS)和一氧化碳優(yōu)先氧化(CO-PROX)反應中表現出增強的活性。

4. 通過改變支持體表面OH基團的密度，可以調節(jié)Cu物種的分散閾值，從而實現Cu物種的高效重分散。

5. 研究還發(fā)現，Cu基催化劑在反應過程中發(fā)生的燒結可以通過簡單的O2-H2O處理在室溫下逆轉，為催化劑的再生提供了一種有效的途徑。

高端表征

在本論文中，作者運用了多種高端表征技術來深入研究Cu顆粒的重分散過程和機制。

1. 透射電鏡 ：通過高分辨率透射電鏡 (HR-TEM) 和高角環(huán)形暗場掃描透射電鏡 (HAADF-STEM) 對催化劑樣品進行了表征。這些技術使得研究者能夠直接觀察到Cu顆粒的尺寸和形態(tài)，以及它們在不同氣氛處理后的分散狀態(tài)。

特別是，HAADF-STEM圖像清晰地顯示了Cu單原子和超小團簇在γ-Al2O3上的分布情況，證實了在O2-H2O氣氛中Cu顆粒能夠完全重分散成單個原子。

2. 同步輻射 ：在室溫下使用上海同步輻射設施 (Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF) 的BL11B光束線進行的準原位X射線吸收光譜 (XAS) 測量。通過這種方式，研究者能夠在不同處理條件下獲得Cu物種的化學狀態(tài)信息，包括Cu的氧化態(tài)和配位環(huán)境的變化。

3. X射線吸收精細結構光譜 (XAFS)：結合X射線吸收近邊結構 (XANES) 和擴展X射線吸收精細結構 (EXAFS) 分析，研究者能夠對Cu物種的局域結構和化學環(huán)境進行深入分析。例如，通過分析EXAFS光譜中的Cu-Cu鍵特征峰，可以推斷出Cu顆粒的重分散程度。

4. 原位測試：文章中還運用了原位測試技術，如原位紫外-可見光譜 (UV-Vis) 和電子順磁共振 (EPR) 光譜，來監(jiān)測Cu物種在不同氣氛中隨時間的結構演變。這些技術使得研究者能夠在實際反應條件下實時觀察催化劑的動態(tài)變化，為理解Cu顆粒重分散的機理提供了重要信息。

通過這些高端表征技術的綜合應用，本論文的研究為理解Cu催化劑在實際應用中的穩(wěn)定性和活性恢復機制提供了重要的實驗依據。

文獻信息

標題：Water-assisted oxidative redispersion of Cu particles through formation of Cu hydroxide at room temperature ?

期刊：Nature Communications ?