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Colloidally Engineered Pd and Pt Catalysts Distinguish Surface- and Vapor-Mediated Deactivation Mechanisms
ACS Catalysis ( IF 11.3 ) Pub Date : 2023-01-17 , DOI: 10.1021/acscatal.2c04683
Jinwon Oh 1 , Arik Beck 2 , Emmett D. Goodman 3 , Luke T. Roling 4 , Anthony Boucly 5 , Luca Artiglia 5 , Frank Abild-Pedersen 6 , Jeroen A. van Bokhoven 2, 5 , Matteo Cargnello 3, 6
ACS Catalysis ( IF 11.3 ) Pub Date : 2023-01-17 , DOI: 10.1021/acscatal.2c04683
Jinwon Oh 1 , Arik Beck 2 , Emmett D. Goodman 3 , Luke T. Roling 4 , Anthony Boucly 5 , Luca Artiglia 5 , Frank Abild-Pedersen 6 , Jeroen A. van Bokhoven 2, 5 , Matteo Cargnello 3, 6
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Noble metal-based catalysts are ubiquitous because of their high activity and stability. However, they irreversibly deteriorate over time especially in high-temperature applications. In these conditions, sintering is the main reason for deactivation, and understanding how sintering occurs gives the opportunity to mitigate these detrimental processes. Previous studies successfully distinguished between two fundamental sintering modes, namely, particle migration and coalescence (PMC) and Ostwald ripening (OR). However, differentiation between surface- and vapor-mediated Ostwald ripening processes has not been demonstrated yet, even though it is crucial information to tune metal/support interactions and stabilize catalysts. Here, we demonstrate that surface- and vapor-mediated ripening occur in two distinct regimes of temperature with some overlap using Pt and Pd catalysts prepared from colloidal nanocrystals as precursors. By either co-impregnating the two metal nanocrystals on the same grain of alumina support or by physically mixing powders of the two distinct metal catalysts, we tune the intermetal particle distance between nanometers and micrometers. We then use methane complete oxidation as a reporter reaction that occurs at higher rates on pure Pd and lower rates on alloyed Pd/Pt catalysts to trace the movement of Pt in the system. Aging the catalysts at different temperatures allows us to reveal that Pt initially sinters by surface-mediated ripening until ∼750 °C, but at temperatures above 800 °C, vapor-mediated ripening by PtO2 becomes the main sintering mechanism. This work demonstrates how colloidal catalysts allow unique insights into the working and deactivation mechanisms of supported systems.
中文翻译：
胶体工程 Pd 和 Pt 催化剂区分表面和蒸汽介导的失活机制
贵金属基催化剂因其高活性和稳定性而无处不在。然而，它们会随着时间的推移不可逆转地退化，尤其是在高温应用中。在这些条件下，烧结是失活的主要原因，了解烧结是如何发生的有助于减轻这些有害过程。先前的研究成功区分了两种基本的烧结模式，即粒子迁移和聚结 (PMC) 和奥斯特瓦尔德熟化 (OR)。然而，表面和蒸汽介导的奥斯特瓦尔德熟化过程之间的区别尚未得到证实，尽管这是调节金属/载体相互作用和稳定催化剂的关键信息。这里，我们证明了表面和蒸汽介导的成熟发生在两种不同的温度范围内，使用由胶体纳米晶体作为前体制备的 Pt 和 Pd 催化剂有一些重叠。通过将两种金属纳米晶体共浸渍在同一粒氧化铝载体上，或通过物理混合两种不同金属催化剂的粉末，我们调整了纳米和微米之间的金属间粒子距离。然后，我们使用甲烷完全氧化作为报告反应，该反应在纯 Pd 上以较高速率发生，在合金 Pd/Pt 催化剂上以较低速率发生，以追踪 Pt 在系统中的移动。在不同温度下老化催化剂使我们能够揭示 Pt 最初通过表面介导的熟化烧结直到 ~ 750 °C，但在高于 800 °C 的温度下，PtO 蒸气介导的熟化 通过将两种金属纳米晶体共浸渍在同一粒氧化铝载体上，或通过物理混合两种不同金属催化剂的粉末，我们调整了纳米和微米之间的金属间粒子距离。然后，我们使用甲烷完全氧化作为报告反应，该反应在纯 Pd 上以较高速率发生，在合金 Pd/Pt 催化剂上以较低速率发生，以追踪 Pt 在系统中的移动。在不同温度下老化催化剂使我们能够揭示 Pt 最初通过表面介导的熟化烧结直到 ~ 750 °C，但在高于 800 °C 的温度下，PtO 蒸气介导的熟化 通过将两种金属纳米晶体共浸渍在同一粒氧化铝载体上，或通过物理混合两种不同金属催化剂的粉末，我们调整了纳米和微米之间的金属间粒子距离。然后，我们使用甲烷完全氧化作为报告反应，该反应在纯 Pd 上以较高速率发生，在合金 Pd/Pt 催化剂上以较低速率发生，以追踪 Pt 在系统中的移动。在不同温度下老化催化剂使我们能够揭示 Pt 最初通过表面介导的熟化烧结直到 ~ 750 °C，但在高于 800 °C 的温度下，PtO 蒸气介导的熟化 然后，我们使用甲烷完全氧化作为报告反应，该反应在纯 Pd 上以较高速率发生，在合金 Pd/Pt 催化剂上以较低速率发生，以追踪 Pt 在系统中的移动。在不同温度下老化催化剂使我们能够揭示 Pt 最初通过表面介导的熟化烧结直到 ~ 750 °C，但在高于 800 °C 的温度下，PtO 蒸气介导的熟化 然后，我们使用甲烷完全氧化作为报告反应，该反应在纯 Pd 上以较高速率发生，在合金 Pd/Pt 催化剂上以较低速率发生，以追踪 Pt 在系统中的移动。在不同温度下老化催化剂使我们能够揭示 Pt 最初通过表面介导的熟化烧结直到 ~ 750 °C，但在高于 800 °C 的温度下，PtO 蒸气介导的熟化2成为主要的烧结机理。这项工作展示了胶体催化剂如何让人们对支持系统的工作和失活机制有独特的见解。
更新日期：2023-01-17
中文翻译：
胶体工程 Pd 和 Pt 催化剂区分表面和蒸汽介导的失活机制
贵金属基催化剂因其高活性和稳定性而无处不在。然而，它们会随着时间的推移不可逆转地退化，尤其是在高温应用中。在这些条件下，烧结是失活的主要原因，了解烧结是如何发生的有助于减轻这些有害过程。先前的研究成功区分了两种基本的烧结模式，即粒子迁移和聚结 (PMC) 和奥斯特瓦尔德熟化 (OR)。然而，表面和蒸汽介导的奥斯特瓦尔德熟化过程之间的区别尚未得到证实，尽管这是调节金属/载体相互作用和稳定催化剂的关键信息。这里，我们证明了表面和蒸汽介导的成熟发生在两种不同的温度范围内，使用由胶体纳米晶体作为前体制备的 Pt 和 Pd 催化剂有一些重叠。通过将两种金属纳米晶体共浸渍在同一粒氧化铝载体上，或通过物理混合两种不同金属催化剂的粉末，我们调整了纳米和微米之间的金属间粒子距离。然后，我们使用甲烷完全氧化作为报告反应，该反应在纯 Pd 上以较高速率发生，在合金 Pd/Pt 催化剂上以较低速率发生，以追踪 Pt 在系统中的移动。在不同温度下老化催化剂使我们能够揭示 Pt 最初通过表面介导的熟化烧结直到 ~ 750 °C，但在高于 800 °C 的温度下，PtO 蒸气介导的熟化 通过将两种金属纳米晶体共浸渍在同一粒氧化铝载体上，或通过物理混合两种不同金属催化剂的粉末，我们调整了纳米和微米之间的金属间粒子距离。然后，我们使用甲烷完全氧化作为报告反应，该反应在纯 Pd 上以较高速率发生，在合金 Pd/Pt 催化剂上以较低速率发生，以追踪 Pt 在系统中的移动。在不同温度下老化催化剂使我们能够揭示 Pt 最初通过表面介导的熟化烧结直到 ~ 750 °C，但在高于 800 °C 的温度下，PtO 蒸气介导的熟化 通过将两种金属纳米晶体共浸渍在同一粒氧化铝载体上，或通过物理混合两种不同金属催化剂的粉末，我们调整了纳米和微米之间的金属间粒子距离。然后，我们使用甲烷完全氧化作为报告反应，该反应在纯 Pd 上以较高速率发生，在合金 Pd/Pt 催化剂上以较低速率发生，以追踪 Pt 在系统中的移动。在不同温度下老化催化剂使我们能够揭示 Pt 最初通过表面介导的熟化烧结直到 ~ 750 °C，但在高于 800 °C 的温度下，PtO 蒸气介导的熟化 然后，我们使用甲烷完全氧化作为报告反应，该反应在纯 Pd 上以较高速率发生，在合金 Pd/Pt 催化剂上以较低速率发生，以追踪 Pt 在系统中的移动。在不同温度下老化催化剂使我们能够揭示 Pt 最初通过表面介导的熟化烧结直到 ~ 750 °C，但在高于 800 °C 的温度下，PtO 蒸气介导的熟化 然后，我们使用甲烷完全氧化作为报告反应，该反应在纯 Pd 上以较高速率发生，在合金 Pd/Pt 催化剂上以较低速率发生，以追踪 Pt 在系统中的移动。在不同温度下老化催化剂使我们能够揭示 Pt 最初通过表面介导的熟化烧结直到 ~ 750 °C，但在高于 800 °C 的温度下，PtO 蒸气介导的熟化2成为主要的烧结机理。这项工作展示了胶体催化剂如何让人们对支持系统的工作和失活机制有独特的见解。
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