标题：Identify the Activity Origin of Pt Single-Atom Catalyst via Atom-by Atom Counting

第一作者：Shuhui Liu, Hua Xu

通讯作者：Wei Liu

通讯单位：中国科学院大连化学物理研究所

研究内容

金属负载型催化剂的原子分散对其催化性能起着至关重要的作用。然而，由于实际的催化剂通常存在结构多样性，如单原子、团簇和粒子的共存，传统的光谱方法包括化学吸附、滴定和X射线吸收，仅提供关于原子色散的平均描述，但不能区分局部结构散度。在本工作中，通过建立基于电子显微镜的原子识别统计（EMARS）方法，通过统计Pt/Al₂O₃工业转化催化剂的18000 + Pt原子，在真实空间的原子精度上重新定义了催化剂的分散。EMARS的结果结合原位显微镜的证据揭示了芳烃生产的活性与Pt单原子密度的定量相关，而Pt团簇没有直接的活性，但在氧化气氛下加热时可以动态地转变为单原子。与EMARS相比，传统的氢氧滴定法在铂的分散上存在严重的偏差。EMARS在金属分散定量方面的独特能力，提供了通过原子分解统计直接识别实际催化剂中不同金属物种的催化作用的可能性。

要点一：

报告了一种精确确定金属负载催化剂分散的方法，通过基于电子显微镜的原子识别统计（EMARS）的原子计数的方法。

要点二：

得益于EMARS的高通量原子识别能力，Pt/Al₂O₃工业转化催化剂实现了前所未有的超过18000个原子的统计量。这种EMARS显示出惊人的精确性，优于传统应用的HOT方法。

要点三：

结果证实了分散的铂单原子催化芳香转化，而铂团簇或粒子不催化芳香转化。进一步的原位显微镜研究发现铂团簇在氧化气氛中的可逆分散，表明分散可能随着测量而改变。EMARS方法首次提供了通过原子精度大规模统计实现负载催化剂中金属分散的独特能力。

图1. 演示基于电子显微镜的原子识别统计（EMARS）与积分光谱方法在金属负载催化剂分散分析中的优势。

图2.在Pt/Al₂O₃重整催化剂HAADF图像上应用EMARS分析程序的可视化性能：（a）原始HAADF图像，包含Pt单原子和团簇，比例尺为5 nm；（b）图像中以红色标注的识别结果；（c）Pt单原子坐标图形显示；（d和e）铂单原子和团簇的分离；（f）Al₂O₃支架轮廓识别。

图3.采用EMARS和HOT方法定量分析了铂的分散性与芳烃生产催化活性的相关性。（a）标准化催化活性和Pt物种分散。（b）色散计算与活动有关的偏差。（c）高（粉色）、中（青色）和低（蓝色）催化剂的Pt原子距离总体分布；此外，还导出了铂原子的积分贡献随距离增大对活性的偏差曲线（绿色）。（d）Pt团簇中所含原子数直方图。

图4 原位显微镜跟踪氧化驱动铂原子的再分散。（a-f）分别在空气中400 ℃和500 ℃处理时，两个位置的1-3区从团簇到Pt单原子的色散趋势相同。特别是对于区域0。（g）放大的HAADF图像显示了铂原子向结晶粒子的明显反向聚集行为。（h）由（g）积分的归一化电子散射强度分布图显示出Pt原子随温度升高的浓度趋势，结晶度提高，散射强度增加。

参考文献

Shuhui Liu, Hua Xu, Dongdong Liu, Hao Yu, Fan Zhang, Peng Zhang, Ruolin Zhang, and Wei Liu. Identify the Activity Origin of Pt Single-Atom Catalyst via Atom-by Atom Counting. J. Am. Chem. Soc.

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.1c06381

DOI: 10.1021/jacs.1c06381