第一作者：Yamei Fan， Rongtan Li

通訊作者：傅強

通訊單位：中國科學院大連化學物理研究所

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本研究提出了一種在室溫下通過O2-H2O處理重分散燒結Cu催化劑的簡單方法。通過原位光譜表征揭示了H2O在潮濕O2中誘導形成羥基化Cu物種，推動Cu原子在室溫下的表面擴散。

此外，表面OH基團在如γ-Al2O3、SiO2和CeO2等大部分可羥基化的支持表面上形成，有助于拉動移動的Cu物種并增強Cu的重分散。

這些發現突出了H2O在支持金屬納米催化劑動態結構演變中的重要作用，并為在溫和條件下再生燒結催化劑奠定了基礎。

圖文導讀

圖1 | Cu NPs在室溫下空氣中自發重分散。展示了2Cu/AlOOH-900在不同氣氛（空氣、Ar、CO2、N2、Ar-H2O、O2和O2H2O）中處理30分鐘的原位UV-Vis光譜和EPR光譜，以及不同處理后的HAADF-STEM圖像。

圖2 | H2O對Cu NPs重分散過程的影響。展示了2Cu/AlOOH-900在不同氣氛中處理的原位UV-Vis光譜，以及經過不同氣氛處理4小時和8小時的準原位Cu K-edge EXAFS光譜和Cu 2p XPS光譜，以及基于Cu 2p XPS光譜計算的不同氣氛中Cu-OH物種比例隨時間的變化。

圖3 | Cu前驅體對重分散過程的影響。展示了不同Cu前驅體與AlOOH-900物理混合物在Ar-H2O氣氛中處理24小時的準原位EPR光譜，Cu(OH)2-AlOOH-900在水浸處理前后的EPR光譜和EDX映射圖像，以及水浸處理后的HAADF-STEM圖像。

圖4 | γ-Al2O3表面OH含量對Cu分散閾值的影響。展示了不同Cu負載下xCu/AlOOH-900在O2和O2-H2O中處理的XRD模式，以及Cu (111)衍射峰與γ-Al2O3 (400)衍射峰的相對強度與Cu負載的關系。

圖5 | 支持體對Cu NPs重分散的影響。展示了2Cu/BN和2Cu/Si3N4在O2-H2O處理24小時后的TEM圖像，以及不同支持體在O2和O2-H2O氣氛中處理24小時后的H-D交換曲線。

圖6 | Cu基催化劑的催化性能。展示了2Cu/AlOOH-900催化劑在O2-H2O處理前后對RWGS反應的穩定性測試，以及5Cu/CeO2催化劑在O2-H2O處理前后對CO-PROX反應的催化性能。

亮點介紹

1. 提出了一種在室溫下通過O2-H2O處理重分散燒結Cu催化劑的新方法，該方法無需高溫處理，節能環保。

2. 原位光譜表征揭示了H2O在潮濕O2中誘導形成羥基化Cu物種，推動Cu原子在室溫下的表面擴散，為催化劑再生提供了新思路。

3. 研究結果表明，通過O2-H2O處理的Cu催化劑在反向水煤氣變換(RWGS)和一氧化碳優先氧化(CO-PROX)反應中表現出增強的活性。

4. 通過改變支持體表面OH基團的密度，可以調節Cu物種的分散閾值，從而實現Cu物種的高效重分散。

5. 研究還發現，Cu基催化劑在反應過程中發生的燒結可以通過簡單的O2-H2O處理在室溫下逆轉，為催化劑的再生提供了一種有效的途徑。

高端表征

在本論文中，作者運用了多種高端表征技術來深入研究Cu顆粒的重分散過程和機制。

1. 透射電鏡 ：通過高分辨率透射電鏡 (HR-TEM) 和高角環形暗場掃描透射電鏡 (HAADF-STEM) 對催化劑樣品進行了表征。這些技術使得研究者能夠直接觀察到Cu顆粒的尺寸和形態，以及它們在不同氣氛處理后的分散狀態。

特別是，HAADF-STEM圖像清晰地顯示了Cu單原子和超小團簇在γ-Al2O3上的分布情況，證實了在O2-H2O氣氛中Cu顆粒能夠完全重分散成單個原子。

2. 同步輻射 ：在室溫下使用上海同步輻射設施 (Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF) 的BL11B光束線進行的準原位X射線吸收光譜 (XAS) 測量。通過這種方式，研究者能夠在不同處理條件下獲得Cu物種的化學狀態信息，包括Cu的氧化態和配位環境的變化。

3. X射線吸收精細結構光譜 (XAFS)：結合X射線吸收近邊結構 (XANES) 和擴展X射線吸收精細結構 (EXAFS) 分析，研究者能夠對Cu物種的局域結構和化學環境進行深入分析。例如，通過分析EXAFS光譜中的Cu-Cu鍵特征峰，可以推斷出Cu顆粒的重分散程度。

4. 原位測試：文章中還運用了原位測試技術，如原位紫外-可見光譜 (UV-Vis) 和電子順磁共振 (EPR) 光譜，來監測Cu物種在不同氣氛中隨時間的結構演變。這些技術使得研究者能夠在實際反應條件下實時觀察催化劑的動態變化，為理解Cu顆粒重分散的機理提供了重要信息。

通過這些高端表征技術的綜合應用，本論文的研究為理解Cu催化劑在實際應用中的穩定性和活性恢復機制提供了重要的實驗依據。

文獻信息

標題：Water-assisted oxidative redispersion of Cu particles through formation of Cu hydroxide at room temperature ?

期刊：Nature Communications ?