Oscillatory Active State of a Pd Nanocatalyst Identified by In Situ Capture of the Instantaneous Structure–Activity Change at the Atomic Scale

化学 纳米材料基催化剂 原位 催化作用 甲烷厌氧氧化 甲烷 稳态(化学) 氧气 纳米颗粒 活动站点 多相催化 纳米技术 化学工程 物理化学 有机化学 工程类 材料科学
作者
Min Tang,Songda Li,Beien Zhu,Ruiyang You,Linjiang Yu,Yang Ou,Wentao Yuan,Qiang Xu,Hangsheng Yang,David J. Wales,Ze Zhang,Yi Gao,Yong Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (27): 18341-18349 被引量:25
标识
DOI:10.1021/jacs.4c02830
摘要

Identifying the active phase with the highest activity, which is long-believed to be a steady state of the catalyst, is the basis of rational design of heterogeneous catalysis. In this work, we performed detailed in situ investigations, successfully capturing the instantaneous structure-activity change in oscillating Pd nanocatalysts during methane oxidation, which reveals an unprecedented oscillatory active state. Combining in situ quantitative environmental transmission electron microscopy and highly sensitive online mass spectrometry, we identified two distinct phases for the reaction: one where the Pd nanoparticles refill with oxygen, and the other, a period of abrupt pumping of oxygen and boosted methane oxidation within about 1 s. It is the rapid reduction process that shows the highest activity for total oxidation of methane, not a PdO or Pd steady state under the conditions applied here (methane:oxygen = 5:1). This observation challenges the traditional understanding of the active phase and requires a completely different strategy for catalyst optimization.
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