2025年8月7日，华盛顿州立大学王勇、台湾大学陈致融在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Single-atom Zr promoter boosts oxygen activation on ceria-supported Pt catalysts》的研究论文，Weixin Huang、Hao Xu为论文共同第一作者，王勇、陈致融论文共同通讯作者。
在本文中，作者报道了一种通过理性设计单原子助剂来增强氧活化的策略。
采用“原子捕获”法在 CeO2中构筑单点位 Zr 物种（Zr1-CeO2）。
以 Zr1-CeO2为载体的 Pt 催化剂在 CO、C3H8 和 C3H6 氧化反应中的催化性能显著优于以 CeO2 为载体的 Pt 催化剂，其 T50（达到 50 % 转化所需的温度）大幅降低。
活性提升归因于形成了不对称的 Zr1-O-Pt1 结构，该结构有利于活化邻近的表面晶格氧和化学吸附的分子氧。
研究表明，在氧化物载体中引入单点位原子能够促进氧活化，为深入理解原子级分散助剂在多相催化中的作用提供了新视角。
图1：催化剂表征。a 单原子 Zr1-CeO2 原子捕获法合成示意图。b Pt/Zr1-CeO2 、Pt/CZ 及 Zr、ZrO2 参比样的 Zr K-edge EXAFS 傅里叶变换幅度（虚线标示 Zr-O(2) 峰位）。c 各样品 Zr K-edge XANES 谱。d Pt L3-edge EXAFS 傅里叶变换幅度。e Pt L3-edge XANES 谱（含 Pt 箔与 PtO2 参比）。
图2：催化性能评价。a CO、b C3H8、c C3H6 氧化的起燃曲线（light-off）。反应条件：a 0.5 % CO + 5 % O2/Ar，GHSV = 30,000 L·gPt-1·h-1；b 0.2 % C3H8 + 1 % O2/Ar，GHSV = 7,500 L·gPt-1·h-1；c 0.2 % C3H6+0.2 % C3H8+2 % O2/Ar，GHSV = 7,500 L·gPt-1·h-1。T50表示转化率达 50 % 时所对应的温度。d–f 分别为 CO、C3H8、C3H6 氧化在 Pt/CeO2 和 Pt/Zr1-CeO2 上的 Arrhenius 图。
图3：单原子 Zr 在氧活化中的作用：光谱与 TPR 分析。a Pt/CeO2（黑线）与 Pt/Zr1-CeO2（红线）的归一化 Raman 光谱。b Pt/CeO2与 Pt/Zr1-CeO2 的 Ce 3d XPS 谱。c Pt/CeO2与 Pt/Zr1-CeO2 的 H2-TPR 曲线；δ 与 β 分别指示催化剂上两种不同耗氢峰。
图4：原位表征。a、b 分别给出 150 °C 下 CO 氧化气氛（CO:O2 = 1:4）中 Pt/CeO2 与 Pt/Zr1-CeO2 的原位 CO-DRIFTS。c 基于 a、b 计算的 CO–Pt 峰面积随反应时间变化。d、e 分别给出 250 °C 下 O2 与预吸附 CO 反应的原位 CO-DRIFTS。f 基于 d、e 计算的 CO–Pt 峰面积随时间变化（插图为局部放大），用于比较两催化剂的反应速率。
图5：密度泛函理论（DFT）计算与反应机理。a 三种代表性结构（Ce-O-Ce、Pt-O-Ce、Pt-O-Zr）在台阶边缘处的氧空位形成能。b Pt-O-Zr 构型的投影态密度（PDOS）。图中深红实线、灰色点线与黑色点线分别对应 O 2p、Pt 5d 与 Zr 4d 轨道。c CO 在 Pt/Zr1-CeO2上氧化的关键步骤示意图：步骤 1：CO 与 Pt(O)4 反应生成 Pt(O)3 与 CO2，随后与第二个 CO 分子反应形成 Pt(CO)(O)3；步骤 2：生成的活性 O* 扩散至 Pt(CO)(O)3邻近的氧空位；步骤 3：Pt(CO)(O)3 中的 CO 与活性 O* 反应生成 CO2 并再生活性位。
综上，作者以“原子陷阱”法在 CeO2载体中构筑单原子 Zr 助剂（Zr1-CeO2），并负载 Pt 得到 Pt/Zr1-CeO2 催化剂。
Zr 以单原子形态嵌入 CeO2 晶格，未形成 ZrO2 团簇；Pt 以原子级分散的 Pt2+ 形式存在；形成不对称 Zr1-O-Pt1 结构，使 Pt-O-Ce 界面电子结构重构。
Zr 4d–Pt 5d 轨道耦合抬升 Pt d-带中心； 削弱 Pt-O 键能，降低表面晶格氧空位形成能（~1.5 eV）； 同时增强对分子氧和晶格氧的活化。
在 CO、C3H8、C3H6 氧化反应中，Pt/Zr1-CeO2 的 T50 分别比 Pt/CeO2 降低 23 °C、108 °C 和 42 °C；TOF 提升约 4 倍，表观活化能显著下降。
共沉淀法制得的 Ce0.98Zr0.02O2 固溶体因存在 ZrO2 团簇，活性无明显提升，证明“单原子 Zr”是关键。
DFT 计算与动力学-谱学关联进一步阐明：Zr 位点“双重角色”——既削弱 Pt-O 键以促进 CO 吸附，又通过电子耦合稳定氧空位、加速晶格氧循环，从而显著降低反应能垒。
结合 DFT 高通量筛选、机器学习势函数与实验数据库，逆向设计具有更低起燃温度、更高抗失活能力的下一代单原子氧化催化剂，并推广至 VOCs 完全氧化、CH4 低温燃烧、NH3-SCR 等多相氧化体系。
Single-atom Zr promoter boosts oxygen activation on ceria-supported Pt catalysts. Nat. Commun., 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-62447-w.
