武漢紡織大學陳嶸課題組近期發(fā)表的研究報道了一種雙金屬Pt-Rh/TiO?光催化劑，在室溫（25 ℃）常壓條件下成功將有毒的一氧化碳（CO）與H?O高效轉(zhuǎn)化為乙烯（C?H?）。該研究通過精準調(diào)控Pt與Rh的原子比例（最優(yōu)為2:8），實現(xiàn)了C?H?產(chǎn)率高達362.94 µmol·g?¹，選擇性達45%，并在連續(xù)26小時光照下保持穩(wěn)定性能。結(jié)合原位表征與DFT計算，揭示了Pt-Rh合金中Rh位點作為CO還原的主要活性中心，促進電子積累與不對稱C-C耦合，顯著降低反應(yīng)能壘，為溫和條件下CO資源化利用提供了新策略。
No.1 光驅(qū)動CO制C?H?催化體系
實現(xiàn)了在常溫常壓條件下，利用太陽能驅(qū)動CO與H?O直接高選擇性合成乙烯。該體系突破了傳統(tǒng)熱催化（需200-450 ℃高溫）和電催化（選擇性低）的限制，反應(yīng)溫度維持在25℃。C?H?產(chǎn)率高達362.94 μmol·g?¹，選擇性達45%，為CO低溫轉(zhuǎn)化提供了全新路徑。
No.2 揭示Pt-Rh雙金屬協(xié)同電子效應(yīng)與關(guān)鍵中間體
通過原位XPS和UPS證實光照下電子從Pt定向遷移至Rh位點，導致Rh3d結(jié)合能負移0.11 eV，Pt4f正移0.09 eV，顯著增強Rh位點電子密度和對CO的活化能力。原位DRIFTS捕獲到關(guān)鍵C-C耦合中間體COCO（1712 cm?¹）及混合吸附構(gòu)型CO bridge（1892 cm?¹），明確了反應(yīng)路徑。
No.3 卓越的催化穩(wěn)定性與抗積碳能力
催化劑在26小時連續(xù)光照下性能無衰減，反應(yīng)后XRD、TEM、XPS表征顯示晶體結(jié)構(gòu)、形貌及金屬化學態(tài)均保持不變，ICP測試證實無金屬溶出，展現(xiàn)了優(yōu)異的穩(wěn)定性抗積碳能力，具備實際應(yīng)用潛力。
圖1. 催化劑的合成和表征。（a）Pt-Rh/TiO?合成過程示意圖。（b）Pt-Rh/TiO?和Pt-Rh合金的PXRD圖譜。（c）掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像、（d）粒度分布、（e）高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像、（f）雙Cs校正器透射電子顯微鏡圖像、（g）原子分辨率EDX映射和（h）Pt-Rh/的線EDX。
圖2. Pt-Rh/TiO?的光催化性能。反應(yīng)條件為：將10 mg催化劑分散在溶液中，用300 W氙燈，反應(yīng)器加入Ar（99.99%）和CO（99.99%），Ar與CO的體積比為4：1，反應(yīng)溫度保持在25°C，（a）光催化COR活性和（b）選擇性相對于Pt-Rh/TiO?。（c）優(yōu)化反應(yīng)下Pt-Rh/TiO?的光催化COR反應(yīng)穩(wěn)定性。（d）13CO存在下C?H?生產(chǎn)的GC-MS譜圖。（e）在相同條件下（與COR相同，但CO氣體被取代為CO?）在Pt-Rh/TiO?上的光催化CO2R活性。（f）CO和（g）CO?氣氛下3h內(nèi)光催化C?H?生產(chǎn)性能差異。
圖3. Pt-Rh/TiO?的光電特性。（a）紫外-可見光漫射反射光譜；（b）DRS結(jié)果轉(zhuǎn)換帶隙圖；（c）X射線光電子能譜價帶譜；（D）半導體能帶結(jié)構(gòu)；（E）瞬態(tài)光電流響應(yīng)圖；（F）電化學阻抗圖；（g）線性掃描伏特曲線；（h）TiO?、Pt/TiO?、Rh/TiO?和Pt-Rh/TiO?光催化劑的電化學莫特-肖特基曲線。
圖4.光電特性和電荷轉(zhuǎn)移的研究。使用300 nm光源作為泵浦光，在不同時間尺度上，（a）TiO?、（b）Pt/TiO?、（c）Rh/TiO?、（d）Pt-Rh/TiO?瞬態(tài)吸收（TA）光譜的2D偽彩色圖。（e）TiO?、（f）Pt/TiO?、（g）Rh/TiO?、（h）Pt-Rh/TiO?的多指數(shù)fs-Tas動力學擬合。Pt-Rh/TiO?內(nèi)（i）Pt4f和（j）Rh3d的原位光照XPS光譜。（k）TiO?、Pt/TiO?、Rh/TiO?和Pt-Rh/TiO?的UPS光譜。
圖5. 光催化反應(yīng)機理研究。（a）Pt/TiO?、（b）Rh/TiO?、（c）Pt-Rh/TiO?的原位時間分辨漫反射傅里葉變換紅外光譜。（D）COtop和CObridge吸附構(gòu)型分別對Rh/TiO?和Pt-Rh/TiO?的吸附能。COtop和CObridge吸附構(gòu)型在（e）Rh/TiO?和（f）Pt-Rh/TiO?上的狀態(tài)密度。（g）在Pt-Rh/TiO?上形成*COtop*COtop和*CObridge的電荷密度差圖。（h）計算了Pt-Rh/TiO?上CO到C?H?的勢能圖。（i）提出在Pt-Rh/TiO?上光催化還原CO的反應(yīng)機理。
在上述文獻中提到的常溫常壓氣固相催化反應(yīng)研究中，實現(xiàn)對反應(yīng)過程的高精度控制與氣體產(chǎn)物的準確定量，是推動反應(yīng)機理深入探索與催化材料優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。面向這一情況，泊菲萊推出的微量氣體反應(yīng)高精度定量評價方案，致力于為高要求的催化研究構(gòu)建精準、可靠且高效的實驗平臺。該方案是以μGAS1000微量氣體反應(yīng)評價系統(tǒng)為核心，搭配多種氙燈光源（如：PLS-CS300、PLS-SXE300E、PLS-SME400E H1等）、各類檢測模塊等多個部分組成，充分發(fā)揮了產(chǎn)品具有的上位機智能調(diào)控、強穩(wěn)定性及高準確性，可搭配性強等特點，全面支撐反應(yīng)從條件探索到機理分析的完整研究流程。
關(guān)鍵特性
No.1 智能控制，操作便捷
氙燈光源與 μGAS1000 微量氣體反應(yīng)評價系統(tǒng)配備專業(yè)上位機軟件。氙燈光源（如：PLS-SXE300E、PLS-SME400E H1）本身便支持計算機遠程監(jiān)控與電流等相應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)，可顯著提升實驗效率。μGAS1000則集成了自動進樣與氣體循環(huán)模塊，可實現(xiàn)長時間無人值守運行。系統(tǒng)搭配的上位機程序不僅可實現(xiàn)壓力、溫度等關(guān)鍵參數(shù)的高精度調(diào)控，同時還能將實驗數(shù)據(jù)進行自動記錄及報告智能導出，顯著助力過程復盤與結(jié)果分析。
No.2 穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)精準
為保障實驗結(jié)果的準確性與可靠性，氙燈光源（如：PLS-CS300）電源波動性控制在±2%以內(nèi)，保障了穩(wěn)定的光強輸出。μGAS1000微量氣體反應(yīng)評價系統(tǒng)則采用全新結(jié)構(gòu)設(shè)計，具備高氣密性，其動態(tài)漏氧率 <0.1μmol/h；同時，該系統(tǒng)標準曲線線性回歸度> 0.999，同一濃度連續(xù)四次進樣的相對標準偏差（RSD）<3%，準確性達科學級水準。上述產(chǎn)品的穩(wěn)定可靠為客戶實驗的開展與測試結(jié)果的精準性提供堅實保障。
No.3 模塊靈活，兼容多類反應(yīng)
微量氣體反應(yīng)高精度定量評價方案具備高度模塊化和可擴展性，可靈活更換光照模塊、多種規(guī)格的反應(yīng)器件以及各類檢測模塊等器件。以上的多模塊更換使得該方案可以全面支持光電催化、電催化、微負壓或常壓條件下的光致熱催化等多種反應(yīng)體系，實現(xiàn)對氣-固、氣-液等多相催化反應(yīng)過程的高精度評價與機理研究。
寫在最后
CO的高值化轉(zhuǎn)化是碳資源利用的重要方向。本研究通過Pt-Rh雙金屬協(xié)同效應(yīng)與界面電子結(jié)構(gòu)調(diào)控，實現(xiàn)了室溫下CO向C?H?的高效光催化轉(zhuǎn)化，突破了傳統(tǒng)熱催化或電催化對條件苛刻、選擇性低的限制。而微量氣體反應(yīng)高精度定量評價方案憑借上位機智能調(diào)控、強穩(wěn)定性及高準確性，可搭配多樣等優(yōu)勢，為這類常溫常壓反應(yīng)研究提供了可靠的實驗基礎(chǔ)，加速了從基礎(chǔ)研究到實際應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。
文獻信息
Chengxin Zhu, Wei Zhang, etal. Bimetallic Pt-Rh/TiO? boosting the room-temperature solar-driven CO selective conversion to ethylene. Applied Catalysis B: Environment and Energy, 380(2026) 125787.
