Pt单原子除氚催化剂制备及性能

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除氚应用的特殊性对除氚催化剂的使用寿命提出很高的要求，以减少材料更换带来的放射性废物，现广泛使用的贵金属负载型除氚催化剂性能对贵金属状态极为敏感，稳定性较差。近几年来，本课题组深入研究了催化剂Pt/CeO₂、Pt/CeO₂-0.3ZrO₂中Pt与载体的相互作用，考察相互作用对载体性能，活性元素分散度、价态、热稳定性的影响。在此基础上制备了Pt单原子催化剂，具有贵金属用量少、活性高、稳定性好等优点，适合在长期运行的除氚系统中应用。提出一种新的制备规整结构Pt单原子催化剂的工艺，具有较高的推广价值和应用前景。

1  催化剂Pt/CeO₂和Pt/CeO₂-0.3ZrO₂中存在很强的金属-载体相互作用

催化剂的XRD表征表明，Pt/Al₂O₃老化过程中Pt发生严重团聚，Pt/CeO₂和Pt/CeO₂-0.3ZrO₂老化过程中Pt没有明显团聚，表明Pt与CeO₂相互作用强，有利于表面Pt的稳定分散。Pt/Al₂O₃与CeO₂-0.3ZrO₂混合老化过程中有Pt从Al₂O₃表面往CeO₂-0.3ZrO₂表面扩散，并被牢牢固定；即使Pt/Al₂O₃发生团聚的Pt经过与CeO₂-0.3ZrO₂混合老化也可以重新分散。因此，可以利用图1(e)中过程(2)和(3)制备Pt高分散的催化剂。

2  制备了Pt单原子分散的除氚催化剂S-Pt/CeO₂-0.3ZrO₂

高分辨的透射电子显微分析表明，通过Pt原子扩散制备的单原子催化剂中Pt确实以单原子状态分散，ICP-AES测试得到的Pt含量为0.022%。单原子催化剂的还原呈现出非H₂解离的特征，表明催化剂中Pt并不是以单质态存在，这与金属-载体相互作用有关。催化性能测试表明，单原子催化剂的低温催化活性有所降低，但在100~200 ℃之间具有较高的活性和较好的稳定性。

3  设计并验证了一种制备规整Pt单原子催化剂的工艺

利用CeO₂-0.3ZrO₂片验证了规整Pt单原子催化剂制备工艺的可行性。经过与Pt/Al₂O₃粉末混合老化之后，CeO₂-0.3ZrO₂片表面出现了深色的区域，经XPS分析表明深色区域确有Pt存在，且全部为Pt²⁺；在Pt/Al₂O₃存在的情况下，Pt扩散的区域会持续扩大，去除Pt/Al₂O₃之后经过更长时间和更高温度老化，Pt区域没有发生明显变化，表明CeO₂-0.3ZrO₂表面的Pt具有极高的稳定性。该方法可以进一步推广至各种形状的Pt单原子催化剂的制备，具有操作简单、Pt用量少、催化剂稳定性好的优点。