单原子催化剂的定量分析

单 原 子 催 化 剂 的 定 量 分 析

验证LEIS的最外原子层灵敏度

对于许多催化剂而言，对高效利用贵金属的要求导致活性相的粒径越来越小。如今，单个金属原子就可以作为催化活性材料。由于所有金属原子都暴露在材料表面上，因此提高了催化效率。

随着催化效率的提高，通常将催化剂制成纳米颗粒形式以提高催化活性和选择性。这项研究工作演示了Qtac 分析如何为此种材料体系提供关键信息。

新墨西哥大学的Datye 教授小组已经研发出一种将金属铂单原子分散在工业催化剂载体上的方法。它们稳定了单个原子，并且可防止高温烧结，从而允许比以往更高的单原子负载量。为了验证这一发现，对含有1 - 4 ％质量百分比Pt 原子的CeO₂ 材料进行LEIS 分析。由于载体中Ce 原子的质量很高，因此与Pt 原子的对比度太低，此时采用TEM 分析就很困难。

测定样品表面单原子的面密度

图1：催化剂载体的5 keV Ne + 离子散射能谱，4 个实验样品（1 - 4 wt. ％）和1 个用于对比的强度按0.1 倍比例缩放的纯Pt 标样。对能谱的基线进行了偏移处理以提高可见性。

为了测量材料表面上单个Pt 原子的数量，使用5 keV 的Ne+ 离子散射进行LEIS 分析。 Ce 和Pt 的表面峰可以很好地解析，可以通过测量去背底后的峰面积来进行量化。（如图1）

在制备过程中，样品已在800 °C 的空气中加热10 小时。由于小的Pt 纳米颗粒在这些条件下不稳定，因此只有较大的纳米颗粒可以与单个Pt 原子共存。这些较大的纳米颗粒几乎不影响LEIS 信号，因为大多数原子不在颗粒的表面而是内部。

图2：使用不同测量技术得到的样品表面Pt 原子面密度与Pt 原子含量的关系。

基于Pt 金属中Pt 原子的数密度，可以对LEIS 数据进行量化，以得出每个样品每平方纳米上的Pt 原子数。第二个图显示了通过各种检测技术测得的每平方纳米上的Pt 原子数以及通过XPS 技术测定的Pt / Ce 比。

对于1 % 和2 % 质量百分比Pt 含量的样品，其LEIS 分析结果几乎与假设Pt 原子完全分散所预计的理论值成功匹配。由于LEIS 数据是在没有任何假设或标定的情况下进行独立量化的，因此通过LEIS 分析就能得到这一结果，已然非常出色。

对于3 % 和4 % 质量百分比Pt 含量的样品，其LEIS 分析结果显示，如果不发生聚集，单个Pt 原子比预期分别少23 ％ 和31 ％ 。这表明在这些非常高负载的样品条件下，大部分Pt 仍然能以单原子形式存在。

本案例利用了LEIS 的独特功能。表明了对这种高分散材料体系使用表面分析技术可能是非常具有挑战性的，而对于样品表面以下或纳米颗粒内部的Pt ，都可以使用所有其他已有的技术进行检测。LEIS 的单原子层高表面灵敏度对于此类样品案例的分析至关重要。