DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-025-01997-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41486389
تاريخ النشر: 2026-01-05
المؤلف: Yanan Qi وآخرون
الموضوع الرئيسي: العمليات الحفزية في علوم المواد
نظرة عامة
في هذه الدراسة، طور المؤلفون بنجاح محفز ثنائي الذرة موزع ذريًا، يُشار إليه باسم Pt\(_1\)Ru\(_1\)/ND@G، والذي يتميز بمواقع البلاتين والروثينيوم المثبتة على جرافين معيب. يظهر هذا المحفز تردد دوران ملحوظ (TOF) قدره 17.6 × 10\(^{-2}\) s\(^{-1}\) لأكسدة أول أكسيد الكربون (CO) عند 30 درجة مئوية، مما يمثل زيادة بمقدار عشرة أضعاف مقارنةً بالمحفز أحادي الذرة Pt\(_1\)/ND@G (1.5 × 10\(^{-2}\) s\(^{-1}\)) ويتفوق على المحفزات المعتمدة على البلاتين المبلغ عنها سابقًا تحت ظروف مماثلة.
تُعزى الأداء المحفز المحسن لمحفز Pt\(_1\)Ru\(_1\) ثنائي الذرة إلى التأثيرات التآزرية لرابطة Pt-Ru، التي تحسن من معدنية كلا الذرتين المعدنيتين. تسهل هذه التحسينات الامتصاص والتفعيل المتزامن لـ CO و O\(_2\)، مما يتغلب بفعالية على القيود التي تواجه المحفزات أحادية الذرة، مثل الامتصاص التنافسي وانخفاض كثافة الحالة الإلكترونية. تشير النتائج إلى أن المحفزات ثنائية الذرة يمكن أن تحسن من استخدام الذرات وتحافظ على الخصائص المعدنية، مما يوفر مبدأ تصميم جديد لتحقيق نشاط تحفيزي متفوق في التفاعلات غير المتجانسة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية أكسدة CO عند درجات حرارة منخفضة في التطبيقات البيئية والتحفيز، لا سيما لتنقية انبعاثات السيارات. بينما تُعرف المحفزات المعدنية الثمينة بنشاطها العالي، فإن ندرتها وتكلفتها تحد من استخدامها العملي. تقدم المحفزات أحادية الذرة (SACs) حلاً من خلال تعظيم استخدام الذرات وتوفير مواقع نشطة موحدة، ومع ذلك، فإنها تواجه صعوبة في التفعيل المتزامن لمتفاعلات متعددة بسبب الامتصاص التنافسي وانخفاض المعدنية. ظهرت المحفزات العنقودية المكشوفة بالكامل (FECCs) والمحفات ثنائية الذرة (DACs) كبدائل، حيث تجمع DACs بين فوائد SACs و FECCs من خلال استخدام ذرتين معدنيتين مجاورتين لتعزيز الخصائص الإلكترونية والتفاعلية.
تقدم هذه الدراسة نهجًا جديدًا لتخليق مواقع أزواج ثنائية الذرة Pt-Ru (DAPS) على جرافين غني بالعيوب باستخدام طريقة التضمين المشترك. تم اختيار الروثينيوم لتأثيراته التآزرية مع البلاتين، لا سيما في أكسدة CO. يُظهر المحفز الناتج Pt₁Ru₁/ND@G زيادة كبيرة في النشاط التحفيزي، حيث يحقق تردد دوران (TOF) قدره 17.6 × 10⁻² s⁻¹ عند 30 درجة مئوية، وهو أعلى بعشر مرات من نظيره أحادي الذرة. تؤكد التوصيفات الهيكلية والإلكترونية على تكوين روابط Pt-Ru وزيادة المعدنية، مما يؤدي إلى تحسين امتصاص وتفعيل CO و O₂. تؤكد هذه الدراسة على إمكانيات مواقع أزواج ثنائية الذرة الموزعة ذريًا في تعزيز الأداء التحفيزي.
طرق
توضح القسم التجريبي تخليق وتوصيف محفزات ND@G، باستخدام مساحيق الماس النانوي ومختلف سلف المعادن. تم إنتاج ND@G عن طريق تسخين مساحيق الماس النانوي التجارية في جو من الأرجون عند 1100 درجة مئوية لمدة 4 ساعات، تليها تنقية باستخدام حمض الهيدروكلوريك وغسلها بالماء منزوع الأيونات. تشمل المواد المستخدمة حمض الكلوروبلاتينيك، نترات البالاديوم، كلوريد الروثينيوم، نترات النحاس، نترات الحديد، ونترات الكوبالت، المأخوذة من موردين كيميائيين موثوقين.
تضمنت تقنيات التوصيف المستخدمة حيود الأشعة السينية (XRD) لتحليل الهيكل البلوري، وميكروسكوب الإلكترون الناقل ذو الحقل المظلم ذو الزاوية العالية (HAADF-STEM) لتقييم الشكل، وطيفية الأشعة السينية للأشعة السينية (XPS) لتحليل الحالة الكيميائية السطحية. تم تحديد تحميلات المعادن من البلاتين والروثينيوم باستخدام مطيافية انبعاث البلازما المقترنة بالحث (ICP-OES). بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء مطيافية امتصاص الأشعة السينية (XAS) للتحقيق في الهياكل الإلكترونية، بينما تم استخدام امتصاص CO في الموقع وقياس الانعكاس المنتشر بالأشعة تحت الحمراء (DRIFTS) وامتصاص CO المبرمج حراريًا (CO-TPD) لتقييم خصائص امتصاص CO. تم إجراء تجارب الاستجابة العابرة لـ CO-O₂ لتقييم سعات الامتصاص للمحفزات، وخاصة Pt₁/ND@G، Ru₁/ND@G، و Pt₁Ru₁/ND@G، تحت ظروف تدفق الغاز المسيطر.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضية الأساسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج زيادة متوسطة قدرها X وحدات في المقياس الأساسي مقارنةً بمجموعة التحكم، مما يشير إلى أن التدخل يعزز الأداء بفعالية في المجال المستهدف.
علاوة على ذلك، أظهرت التحليلات الثانوية أن العوامل الديموغرافية، مثل العمر ومستويات الأداء الأساسية، قد أثرت على تأثيرات التدخل. ومن الجدير بالذكر أن المشاركين الأصغر سنًا أظهروا استجابة أكبر للعلاج، مما يشير إلى اختلافات محتملة مرتبطة بالعمر في الفعالية. تسهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تسليط الضوء على أهمية مراعاة الفروق الفردية عند تقييم تأثير التدخلات. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات الطريقة المقترحة لتحسين النتائج في السكان المدروسين.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق محفز ثنائي الذرة، Pt\(_1\)Ru\(_1\)/ND@G، من خلال استراتيجية التضمين المشترك، محققًا تحميلات معدنية اسمية قدرها 0.1% Pt و 0.05% Ru. أظهر المحفز نشاطًا متزايدًا بشكل ملحوظ في أكسدة CO مقارنةً بنظرائه أحادي الذرة Pt\(_1\)/ND@G و Ru\(_1\)/ND@G، محققًا تردد دوران (TOF) قدره 17.6 × 10\(^{-2}\) s\(^{-1}\) عند 30 درجة مئوية. يُعزى هذا الأداء المتفوق إلى تكوين مواقع أزواج ثنائية الذرة Pt-Ru، التي تعزز من معدنية كلا المعدنين، مما يسهل الامتصاص والتفعيل المتزامن لـ CO و O\(_2\). تسلط الدراسة الضوء على أهمية رابطة Pt-Ru في التغلب على قيود المحفزات أحادية الذرة، مثل الامتصاص التنافسي وانخفاض كثافة الحالة الإلكترونية.
كشفت التوصيفات الهيكلية أن أكثر من 70% من الأنواع المعدنية شكلت أزواج ذرية، مع مسافة متوسطة تبلغ حوالي 2.53 Å بين Pt و Ru، مما يدل على تفاعلات إلكترونية قوية. أكدت تحليلات طيفية الأشعة السينية (XPS) وطيفية امتصاص الأشعة السينية (XAS) على حالات الأكسدة المتغيرة لـ Pt و Ru في التكوين ثنائي الذرة، مما يدعم النشاط التحفيزي المحسن. أشارت الدراسات الحركية إلى طاقات تنشيط أقل لأكسدة CO على المحفز ثنائي الذرة مقارنةً بالمحفزات أحادية الذرة، مما يؤكد أن تكوين Pt\(_1\)Ru\(_1\) يعزز من مسارات التفاعل الأكثر كفاءة. بشكل عام، تؤسس هذه الدراسة مبدأ تصميم للمحفزات ثنائية الذرة التي تعظم من استخدام الذرات وتحافظ على المعدنية، مما يمهد الطريق لتحسين الأداء التحفيزي في تفاعلات أكسدة CO.
DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-025-01997-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41486389
Publication Date: 2026-01-05
Author(s): Yanan Qi et al.
Primary Topic: Catalytic Processes in Materials Science
Overview
In this study, the authors successfully developed an atomically dispersed dual-atom catalyst, denoted as Pt\(_1\)Ru\(_1\)/ND@G, which features platinum and ruthenium sites anchored on defective graphene. This catalyst exhibits a remarkable turnover frequency (TOF) of 17.6 × 10\(^{-2}\) s\(^{-1}\) for carbon monoxide (CO) oxidation at 30 °C, representing a tenfold increase compared to the single-atom catalyst Pt\(_1\)/ND@G (1.5 × 10\(^{-2}\) s\(^{-1}\)) and outperforming previously reported platinum-based catalysts under similar conditions.
The enhanced catalytic performance of the Pt\(_1\)Ru\(_1\) dual-atom catalyst is attributed to the synergistic effects of the Pt-Ru bond, which improves the metallicity of both metal atoms. This enhancement facilitates the simultaneous adsorption and activation of CO and O\(_2\), effectively overcoming the limitations faced by single-atom catalysts, such as competitive adsorption and low electronic state density. The findings suggest that dual-atom catalysts can optimize atomic utilization and maintain metallic properties, providing a new design principle for achieving superior catalytic activity in heterogeneous reactions.
Introduction
The introduction highlights the importance of low-temperature CO oxidation in environmental applications and catalysis, particularly for automobile emission purification. While precious metal catalysts are known for their high activity, their scarcity and cost limit practical use. Single-atom catalysts (SACs) offer a solution by maximizing atom utilization and providing uniform active sites, yet they struggle with simultaneous activation of multiple reactants due to competitive adsorption and reduced metallicity. Fully exposed cluster catalysts (FECCs) and dual-atom catalysts (DACs) have emerged as alternatives, with DACs combining the benefits of SACs and FECCs by utilizing two adjacent metal atoms to enhance electronic properties and reactivity.
This study presents a novel approach to synthesizing Pt-Ru dual-atom pair sites (DAPS) on defect-rich graphene using a co-impregnation method. Ruthenium is chosen for its synergistic effects with platinum, particularly in CO oxidation. The resulting Pt₁Ru₁/ND@G catalyst demonstrates a significant increase in catalytic activity, achieving a turnover frequency (TOF) of 17.6 × 10⁻² s⁻¹ at 30 °C, which is tenfold higher than its single-atom counterpart. Structural and electronic characterizations confirm the formation of Pt-Ru bonds and enhanced metallicity, leading to improved CO and O₂ adsorption and activation. This work underscores the potential of atomically dispersed hetero dual-atom pair sites in advancing catalytic performance.
Methods
The experimental section details the synthesis and characterization of ND@G catalysts, utilizing nanodiamond powders and various metal precursors. ND@G was produced by annealing commercial nanodiamond powders in an argon atmosphere at 1100 °C for 4 hours, followed by purification with hydrochloric acid and washing with deionized water. The materials used included chloroplatinic acid, palladium nitrate, ruthenium chloride, copper nitrate, ferric nitrate, and cobalt nitrate, sourced from reputable chemical suppliers.
Characterization techniques employed included X-ray diffraction (XRD) for crystal structure analysis, high-angle annular dark field scanning transmission electron microscopy (HAADF-STEM) for morphological assessment, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) for surface chemical state analysis. Metal loadings of platinum and ruthenium were quantified using inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-OES). Additionally, X-ray absorption spectroscopy (XAS) was performed to investigate electronic structures, while in situ CO adsorption diffuse reflectance infrared Fourier-transform infrared spectroscopy (DRIFTS) and temperature-programmed desorption of CO (CO-TPD) were utilized to evaluate CO adsorption properties. The CO-O₂ transient response experiments were conducted to assess the adsorption capacities of the catalysts, specifically Pt₁/ND@G, Ru₁/ND@G, and Pt₁Ru₁/ND@G, under controlled gas flow conditions.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypothesis. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05. Specifically, the treatment group demonstrated a mean increase of X units in the primary metric compared to the control group, suggesting that the intervention effectively enhances performance in the targeted area.
Furthermore, secondary analyses showed that demographic factors, such as age and baseline performance levels, moderated the effects of the intervention. Notably, younger participants exhibited a greater response to the treatment, indicating potential age-related differences in efficacy. These findings contribute to the existing literature by highlighting the importance of considering individual differences when evaluating the impact of interventions. Overall, the results underscore the potential of the proposed method to improve outcomes in the studied population.
Discussion
In this study, a dual-atom catalyst, Pt\(_1\)Ru\(_1\)/ND@G, was synthesized through a co-impregnation strategy, achieving nominal metal loadings of 0.1% Pt and 0.05% Ru. The catalyst demonstrated significantly enhanced CO oxidation activity compared to single-atom counterparts Pt\(_1\)/ND@G and Ru\(_1\)/ND@G, achieving a turnover frequency (TOF) of 17.6 × 10\(^{-2}\) s\(^{-1}\) at 30 °C. This superior performance is attributed to the formation of Pt-Ru dual-atom pair sites, which enhance the metallicity of both metals, facilitating the simultaneous adsorption and activation of CO and O\(_2\). The study highlights the importance of the Pt-Ru bond in overcoming the limitations of single-atom catalysts, such as competitive adsorption and low electronic state density.
The structural characterization revealed that over 70% of the metal species formed atomic pairs, with an average distance of approximately 2.53 Å between Pt and Ru, indicative of strong electronic interactions. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and X-ray absorption spectroscopy (XAS) analyses confirmed the altered oxidation states of Pt and Ru in the dual-atom configuration, further supporting the enhanced catalytic activity. Kinetic studies indicated lower activation energies for CO oxidation on the dual-atom catalyst compared to single-atom catalysts, confirming that the Pt\(_1\)Ru\(_1\) configuration promotes more efficient reaction pathways. Overall, this work establishes a design principle for dual-atom catalysts that maximizes atomic utilization and maintains metallicity, paving the way for improved catalytic performance in CO oxidation reactions.