Brookite-TiO2-Supported Pt Bilayers for the Low-Temperature Water–Gas Shift Reaction

水煤气变换反应 布鲁克特 催化作用 材料科学 水煤气 化学工程 化学 合成气 光催化 锐钛矿 有机化学 工程类
作者
Wenning Zhao,Junjun Wang,Xixiong Zhang,Guanghui Zhang,Yong Li,Zheng Jiang,Mingrun Li,Yan Zhou,Yuemin Wang,Wenjie Shen
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (18): 13591-13601 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c03224
摘要

Highly dispersed Pt species, typically subnanometric clusters and single-atoms, feature catalysis that differed significantly from that of the faceted nanoparticles. However, the catalytic chemistry of these size-specified Pt entities is still a subject of debate. Here, we report that metallic Pt clusters in a bilayer geometry, dispersed on TiO2, served as the active phase for the low-temperature water–gas shift reaction. The control of Pt dispersion was done by treating a Pt/TiO2 sample, where 3 nm Pt particles dispersed over rod-shaped brookite-TiO2, with oxidative and reductive gases at elevated temperatures (673–873 K). The oxidative treatment of the Pt/TiO2 precursor yielded subnanometric PtOx clusters (<1 nm) at 773 K and cationic Pt single-atoms at 873 K. Combined microscopic and spectroscopic characterizations revealed that the PtOx clusters had a monolayer geometry, in which the Pt atoms were loosely connected via the Pt–O–Pt bond and chemically anchored on the surface of TiO2 via the Pt–O–Ti bond. While the cationic Pt single-atoms not only located on the surface but also diffused into the subsurface/bulk of TiO2, presenting in diverse coordination environments. Catalytic evaluations found that the subnanometric PtOx clusters were more active for the low-temperature water–gas shift reaction than the cationic Pt single-atoms. More interestingly, the H2-reduction of the PtOx clusters at 773 K resulted in metallic Pt clusters that adopted predominately a bilayer geometry at an appropriate Pt0/(Pt0 + Pt2+) ratio. The surficial metallic Pt atoms tuned the electronic structure of the positively charged Pt atoms at the Pt–TiO2 interface and thus enhanced the catalytic activity dramatically.
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