Synergies Between Atomically Dispersed Ru Single Atoms and Nanoparticles on CeAlOx for Enhanced Photo-Thermal Catalytic CO

材料科学 催化作用 纳米颗粒 纳米技术 热的 化学工程 光催化 光化学 有机化学 物理 工程类 气象学 化学
作者
Yunxiang Tang,Hao Wang,Chan Guo,Li Ge Wang,Tingting Zhao,Shikang Xiao,Jiurong Liu,Yanyan Jiang,Yufei Zhao,Xiaodong Wen,Fenglong Wang
出处
期刊:PubMed 卷期号:: e12793-e12793
标识
DOI:10.1002/adma.202512793
摘要

Heterogeneous catalysts integrating single-atom species and nanoparticles maximize atom utilization and hydrogen dissociation for hydrogenation reactions. However, challenges in maintaining consistent metal loadings during synthesis complicate direct performance comparisons with the single-atom and nanoparticle-based systems, which obscures rational assessment of their catalytic potential. Herein, Ru1+NPs/CeAlOx photothermal catalysts are reported which leverage the synergy between Ru single atoms and Ru nanoparticles to enhance CO2 hydrogenation to CH4. Under light irradiation (3.1 W cm-2, 200-1100 nm) at 200 °C, the Ru1+NPs/CeAlOx catalyst achieves a CH4 production rate of 197.2 mmol gcat -1 h-1 with near-100% selectivity, surpassing single-atom Ru1/CeAlOx catalysts and nanoparticle-based RuNPs/CeAlOx catalysts, with equivalent metal contents. Mechanistic studies revealed that in Ru1+NPs/CeAlOx catalysts, Ru single atoms facilitate CO2 adsorption/activation and subsequent conversion, while Ru nanoparticles promote H2 dissociation, with their synergistic interplay driving superior performance. Moreover, the CeAlOx support effectively stabilizes the dual-site structure and facilitates the formation of reaction intermediates through its abundant oxygen vacancies and surface Lewis acid-base pairs, thereby further enhancing the catalytic reaction. This work highlights the critical role of synergistic effects between single atoms and nanoparticles, offering new approaches for designing high-efficiency hydrogenation catalysts.
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