日前，昆明理工大學環境科學與工程學院寧平、李凱教授團隊在金屬錨定以及氨氣選擇性催化氧化領域取得重要進展。該研究成果以“Design Strategies for High-Performance NH3-SCO Catalyst: Identifying and Modulating Direct Anchoring Sites for Ag on TiO2”為題，發表在環境領域的著名學術期刊Environmental Science & Technology上。昆明理工大學為該論文第一作者單位，環境科學與工程學院寧平教授、李凱教授和王飛副教授為論文的共同通訊作者，博士研究生王春雪和副教授李原為共同第一作者。該研究得到了國家自然科學基金和云南省基礎研究計劃等項目的資助。
在 "雙碳 "目標的背景下，零碳燃料（如 NH3/H2 或 H2）正在能源領域興起，NH3 的不完全燃燒和逃逸使NH3減排和高效去除再次引起了研究人員的廣泛關注。近年來，Ag基催化劑因其優異的低溫活性和低成本被廣泛作為NH3-SCO催化劑用于NH3的高效去除。由于Ag物種的尺寸和價態是影響其催化性能的關鍵因素，這取決于Ag在載體上的錨定位點及其含量。TiO2因其價廉易得、無毒無害、種類繁多等優點，已被廣泛用作負載型催化劑的載體。對于不可還原性載體已有研究證明了表面羥基是金屬原子的錨定位點，然而對于金屬原子在不可還原性載體TiO2上的錨定位點仍然存在爭議。探究Ag在TiO2上的直接錨定位點對于合理設計和優化用于高效凈化氨氣的Ag/TiO2催化劑至關重要。
本研究首先在不同溫度下煅燒TiO2獲得了一系列具有不同羥基和缺陷含量的TiO2-X載體，然后采用浸漬法制備了負載型Ag/TiO2-X材料，其中TiO2-X載體上單位比表面積的Ag負載量保持一致。通過將Ag的分散度與單位比表面積上的羥基或缺陷含量相關聯以及對比Ag的負載量與羥基或缺陷消耗量的線性關系，我們發現Ag的分散度與羥基含量呈正相關，Ag的負載量與羥基消耗性存在明顯的線性關系；此外，DFT計算結果表明Ag原子在羥基上的吸附強度遠高于其缺陷上的吸附強度。因此，我們揭示了羥基是Ag在TiO2載體上的直接錨定位點。隨后，我們通過熱誘導調控了TiO2載體上的羥基含量，發現TiO2-800載體上具有最佳的羥基含量使Ag物種形成了更多較大的Ag0 NPs，使得10Ag/TiO2-800催化劑在NH3-SCO反應中顯示出更優異的低溫活性、穩定性和抗水性。結合動力學實驗和反應機理研究揭示了更多較大的Ag0 NPs更有利于O2的活化和NH3的解離，從而顯著提升其NH3-SCO的性能。此外，我們利用雙氧水溶液處理TiO2-600載體以增加其羥基含量，從而使Ag物種更加分散，甲醛氧化反應結果顯示，與Ag/TiO2-600樣品相比，Ag/TiO2-600-H2O2樣品的性能明顯提高。通過確定TiO2上Ag的直接錨定位點再到調控錨定位點含量的策略，我們分別合成了具有優異性能的NH3-SCO催化劑和甲醛氧化催化劑。因此，我們的研究成果為設計和開發具有特定尺寸（單原子、團簇、納米顆粒）的Ag/TiO2催化劑提供了理論指導。
圖1. 揭示Ag物種在TiO2載體上的錨定位點
圖2. Ag/TiO2-X催化劑的NH3-SCO性能
李凱、寧平和王飛團隊主要從事環境催化功能材料的研究與設計、移動源/固定源廢氣凈化及資源化利用。近年來，已在Nat. Commun.（2篇）, Angew. Chem. Int. Ed., Environ. Sci. Technol.（4篇）, Appl. Catal. B Environ. Energ.（2篇）, ACS Catal.（2篇）等國內外權威學術期刊上發表了一系列高水平論文，獲得了國內外廣泛關注。
論文鏈接地址：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c06499
