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最大化稀有和昂贵贵金属在催化中的活性的一种方法是在金属氧化物载体上使用小簇甚至单个原子。双功能铂和沸石催化剂在工业上用于烷烃加氢转化。最大限度地利用贵金属对于催化等应用至关重要。

2022年7月7日，荷兰乌特勒支大学Krijn P. de Jong团队（厦门大学成康为第一作者）在Science 在线发表题为“Maximizing noble metal utilization in solid catalysts by control of nanoparticle location”的研究论文，该研究通过在纳米尺度上合理安排功能位点，可将工业相关双功能催化剂的正构烷烃加氢转化性能最佳的铂负载量减少 10 倍或更多。

有意地将痕量的铂纳米颗粒沉积在氧化铝粘合剂或沸石晶体的外表面上，而不是在沸石晶体内部，在不影响活性的情况下提高了异构体的选择性。铂和沸石酸位之间的分离通过限制金属簇对微孔的阻塞和增强对金属位的访问来保留金属和酸的功能。还原的铂纳米颗粒比与氧化铝粘合剂牢固结合的铂单原子更活跃。

贵金属 (NM) 广泛用于各种商业和新兴技术，包括汽车中的催化转化器，氢燃料电池中的电催化剂以及用于石油、生物质和废物转化的催化剂。在这些应用中对 NM 的需求不断增加，推动了更有效地利用 NM 的方法，包括所谓的单原子催化剂 (SAC)，其中孤立的单个金属原子或离子通过载体稳定。

然而，强烈的金属-载体相互作用通常导致有限的还原性，并且在某些情况下反应性低。将 NMs 限制在沸石通道或笼内可以有利于试剂的吸附和反应中间体的稳定，从而提高催化活性、产物选择性或两者兼而有之。已经证明了限制效应的成功例子可用于小分子的转化，包括一氧化碳 (CO) 氧化、甲烷 (CH4) 氧化和水煤气变换反应。

在石化工业中，铂 (Pt) 经常与酸性沸石结合用于线性烷烃的加氢转化以提高液体燃料的质量其性能受 Pt 纳米颗粒 (NP) 尺寸和分布、金属-载体相互作用和酸性特性的影响。为了描述足以维持加氢转化催化剂中双功能金属-酸平衡所需的 Pt 负载量，Guisnet 和同事提出了一个广泛应用的表面 Pt 位点与Brønsted 酸位点比 (npt/na) 的参数。为了满足这一标准，双功能催化剂的典型 Pt 负载量在 0.3 至 3 wt% 的范围内。

HAADF-STEM 和 STEM 能量色散 X 射线 (EDX) 图像的超微切片 70 nm 厚的催化剂切片（图源自Science ）

为了整合两个功能组件，Weisz 的亲密标准，通常被解释为“越接近越好”，已被应用于空间组织。最近，在 Pt 负载量约为 0.5 wt% 时，在纳米尺度上分离 Pt 和酸位点提高了直链烷烃加氢异构化中的异构体选择性，而将 Pt 放置在最接近的沸石晶体中会促进酸催化裂化或过度裂化反应，因为晶内碳鎓离子浓度很高。有了这种纳米级亲密度的概念，研究人员发现降低 Pt 负载具有潜力，这激发了研究作为 Pt NP 位置函数的催化 NM 的下限。

该研究通过在纳米尺度上合理安排功能位点，可将工业相关双功能催化剂的正构烷烃加氢转化性能最佳的铂负载量减少 10 倍或更多。 有意地将痕量的铂纳米颗粒沉积在氧化铝粘合剂或沸石晶体的外表面上，而不是在沸石晶体内部，在不影响活性的情况下提高了异构体的选择性。 铂和沸石酸位之间的分离通过限制金属簇对微孔的阻塞和增强对金属位的访问来保留金属和酸的功能。 还原的铂纳米颗粒比与氧化铝粘合剂牢固结合的铂单原子更活跃。

参考消息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn8289