铂（Pt）氧化物是许多反应中的重要催化剂，但研究表明，它们会在高温下分解，从而限制了其在高温应用中的使用。

2024年9月19日，上海科技大学物质科学与技术学院王竹君研究员、刘志教授、柳仲楷研究员、杨波研究员团队合作在Nature Materials期刊发表题为“Two-dimensional crystalline platinum oxide”的研究论文，团队成员蔡军、Wei Liyang、刘健、Xue Chaowu为论文共同第一作者，杨波研究员、柳仲楷研究员、刘志教授、王竹君研究员为论文共同通讯作者。

王竹君，上海科技大学物质科学与技术学院研究员，专注于新一代原位在线表面敏感扫描电子显微镜的研制研究；2016年12月博士毕业于德国马克斯-普朗克学会弗里茨-哈伯（Fritz-Haber）研究所，导师：Robert Schlögl教授；2017-2020年先后于弗里茨-哈伯研究所、苏黎世联邦理工学院显微镜中心从事博士后、Senior Scientist研究工作；2020年10月加入上海科技大学。

刘志，上海科技大学物质科学与技术学院副院长/教授，专注于表面化学/近常压光电子能谱/物质原位电子结构研究、能源环境功能材料同步辐射原位表征测量技术等研究。

DOI：10.1038/s41563-024-02002-y

该研究采用一系列原位方法鉴定了具有显著热稳定性（NO2条件下1200 K）的二维（2D）Pt氧化物晶体。理论模拟表明，这种2D Pt氧化物的特点是由包裹在双氧层之间的Pt原子的蜂窝晶格形成六角星结构，由于其独特的结构，具有最小的平面内应力和增强的垂直键合。这些特点有助于其高热稳定性。多尺度原位观测追溯了从α-PtO2到2D Pt氧化物的形成过程，提供了从原子到毫米尺度对其形成机制的深入了解。这种2D Pt氧化物具有出色的热稳定性和独特的表面电子结构，颠覆了以往认为Pt氧化物在高温下不存在的观点，而且还具有独特的催化能力。这项研究拓展了对Pt氧化物的认识，并揭示了Pt氧化物在高温环境下的氧化和催化行为。

图1. 在NO2条件下，Pt(111)上PtOx层的形成

图2. PtOx层的H2蚀刻过程

图3. PtOx层的表征

图4. PtO3-Pt结构的实空间图像

图5. 通过原位STEM直接观察Pt氧化过程

图6. 从Pt到PtO3-Pt的演化过程

总之，该研究对Pt(111)在NO2条件下（室温至1000 K）氧化的综合研究表明，Pt(111)表面最初被吸附的氧和NO*物质所覆盖。随着温度的升高，表面形成了无定形的α-PtO2层。然而，该层在750 K以上变得不稳定，并转变为氧化物相PtO3-Pt。在高温条件下，PtO3-Pt表现出卓越的热稳定性和耐久性。

结构分析和理论研究显示，PtO3-Pt具有独特的六芒星结构，这对于最大限度地减少面内应力和促进单向畴成核至关重要。这导致了大面积单晶PtO3-Pt的外延生长。理论模型对于理解二维PtO3-Pt形成的关键光谱方面以及确认这种氧化物的结构和稳定性至关重要。此外，这种Pt氧化物显示出独特的表面电子结构，可以在碳氢化合物、氧气和CO混合环境中选择性地氧化CO。此外，PtO3-Pt的优异稳定性表明，在高温氧化条件下，Pt的活性相是二维层状Pt氧化物。

该研究结果表明，二维PtO3-Pt不仅作为一种瞬态相，而且作为一种稳定的活性实体，即使在700 K以上的温度条件下都发挥着至关重要的作用，这将彻底改变Pt基催化剂的设计和应用。在这些温度下发现稳定的Pt氧化物相，为研究通常被认为不利于氧化物稳定性的操作条件下的催化剂行为提供了一个视角。这一发现对催化科学具有深远的影响，有可能开发出利用Pt氧化物独特性质的更有效催化剂。

这项研究强调了使用多种原位方法全面了解从原子水平到毫米尺度的表面反应的重要性，并缩小了超高真空技术与实际工业条件之间的差距。该研究方法和结果不仅加深了对表面氧化的理解，还为设计高温工业催化剂开辟了新的可能性。

来源：生化环材人