JACS：原位拉曼技术用于催化研究

了解金属−氧化物界面表面氧的活化和反应本质非常重要，但由于活性氧物种原位表征的困难，仍然是一个重大挑战。

基于此，厦门大学李剑锋等采用表面增强拉曼光谱(SERS)技术，原位探测了CO氧化过程中铂−铈界面上分子氧的活化和反应，并直接观测了CO氧化过程中不同活性氧种类及其演化过程。原位拉曼光谱和同位素交换实验的证据表明，在CO氧化过程中，Pt上的氧在界面Ce3+缺陷点处同时有效分离为化学吸附的O和晶格Ce−O，导致在铂-铈界面的活性比单独在Pt上高得多。进一步的原位时间分辨SERS研究和密度泛函理论模拟表明，通过吸附的CO和化学吸附的Pt−O物种从界面转移的反应，发现了一个更有效的分子途径。这项工作深化了对金属-氧化物界面上氧活化和CO氧化的基本认识，并为工作条件下氧的原位表征提供了一种灵敏的技术。

原位拉曼

探测金属表面氧活化和反应过程

拉曼光谱可以提供物种的分子结构和信息，特别是那些位于低波数区域，传统方法难以检测的物种，因此，原位表征活性氧是一种很有前途的技术，而正常拉曼光谱的灵敏度较低，无法实现催化氧化过程中界面上吸附的微量氧的研究。相比之下，表面增强拉曼光谱（SERS）即使在单分子水平上也具有极高的灵敏度，显示出原位催化研究的巨大潜力。在SERS中，等离子体金属（原生金、银和铜）可以产生强且高度局部化的电磁场，以增强吸附或位于其表面附近的物种的拉曼信号，从而允许对反应过程和中间体进行原位监测。但是，强烈的SERS效应仅限于特定结构的金、银和铜纳米材料，这极大地限制了SERS在其他金属或氧化物表面催化反应原位研究中的应用。本文借用SERS技术对Pt-CeO2界面的CO氧化过程进行了原位研究，揭示了Pt-CeO2界面在氧活化过程中的关键作用及其分子反应机理。CeO2纳米域沉积在Au@Pt上，形成Au@Pt−CeO2核−壳纳米结构，因此在Pt−CeO2界面上吸附的痕量物种和中间体的拉曼信号得到了显著增强。利用这种借用SERS策略，研究了不同的活性氧物种及其在Pt−CeO2界面的CO氧化过程中的演化。

原位漫反射红外光谱（DRIFTS）研究表明，与Pt/SiO2相比，Pt/CeO2上吸附CO转化为CO2的温度要低得多（图1）。然而，由于红外光谱在低波数区的局限性，氧物种和铂−C键的重要特征未观察到。同时，由于正常拉曼光谱的低灵敏度，在对其进行原位拉曼研究期间，未检测到表面物种（图2）。为了实现Pt−CeO2界面氧活化和反应的原位拉曼研究，设计了Au核@Pt壳− CeO2纳米结构(图3a)。在这种核壳纳米结构中，Pt壳层和− CeO2之间形成了丰富的Pt− CeO2界面，而等离子体Au核可以产生强电磁场来放大吸附在Pt− CeO2界面上的物种的拉曼信号。因此，可以同时监测催化剂结构和痕量中间体的演化过程，特别是低波数的中间体。

为了揭示所制备Au@Pt−CeO2的表面结构，利用苯基异氰酸酯(PIC)作为探针分子对该样品进行了SERS表征。PIC的拉伸频率对表面结构非常敏感。如图4a所示，PIC吸附在Pt和Au上的拉曼光谱分别位于2140和2190 cm−1处。而在Au@Pt和Au@Pt−CeO2上只观察到PIC吸附在Pt上，表明Au被Pt完全包覆，而CeO2在Pt上形成不连续的区域。此外，PIC吸附在Au@Pt−CeO2上的拉伸带与Au@Pt上相比发生蓝移。这意味着Pt上的电子可能部分转移到CeO2上，从而降低了d-π*的反馈，增强了键，从而导致拉曼能带的蓝移。

在自制的拉曼电池中控制气氛和温度，在Au@Pt上进行原位SERS(图5)，研究CO氧化条件下Pt表面物种的演化。如图6a所示，490和2090 cm−1处有两个拉曼峰。它们分别归因于在Pt上线性吸附CO的Pt-C和的拉伸模式，可以通过CO同位素交换实验中这些带谱的红移来证明(图6c)。在~395和~2030 cm−1处的小肩峰，分别归因于CO通过桥式吸附在Pt上的Pt-C拉伸模式和CO在配位不饱和Pt上线性吸附的拉伸模式。随着温度升高到110℃，这些条带几乎没有变化，这与纯CO下的结果非常相似(图7)。这说明在低温CO氧化过程中，Pt表面几乎完全被CO占据。图6b为Au@Pt反应气氛由CO转变为O2时的原位SERS谱图。当温度大于100℃时，CO吸附的拉曼谱带开始下降，并完全消失，而在150℃时，在~ 560 cm−1出现了一条新的宽谱带。在18O2同位素实验中，这个峰会红移到较低的值(图6d)，因此可以归因于Pt−O物种。在CO/ O2循环切换过程中，这种Pt−O物种会与CO反应，并在150°C时再生(图6b)。这些结果表明，在低温CO氧化过程中，Pt表面几乎被CO完全占据。因此，氧只能在150℃时在纯Pt表面被活化成Pt−O物种，导致其在低温时CO氧化活性较差。不同CO/O2条件下CO氧化的催化结果也可以证明CO的毒性，当CO/O2从1/10增加到1/1时，氧化活性显著下降。

图7 不同温度下SERS谱图

图8的a和b分别是Au@Pt−CeO2上CO氧化的原位SERS光谱和不同表面物种对应的拉曼强度随反应温度的变化。当激光功率从0.3到15 mW时，样品的SERS光谱几乎没有变化，说明激光的加热效应确实可以忽略不计(图9)。与Au@Pt不同，CO氧化在Au@Pt−CeO2表面上的SERS光谱随温度变化显著。在低温下，除了吸附在Pt表面(~ 2090 cm−1)的CO拉曼带外，在~ 2110 cm−1处还观察到一个额外的肩峰，这可以归因于吸附在Pt−CeO2界面的CO。随着温度的升高，CO吸附在界面位置的拉曼谱带先下降，然后是Pt表面CO的降低。同时，根据18O2同位素交换实验和块锑CeO2的拉曼光谱，在50℃时，在450 cm−1和550 cm−1出现了两个谱带，分别属于Ce−O和Pt−O（图2）。这些结果表明，与Pt不同的是，在Pt−CeO2界面CO氧化过程中，氧可以在很低的温度下有效地活化为Ce−O和Pt−O物种。

为了阐明CO在Pt-CeO2界面上的氧化反应机理，采用时间分辨SERS技术对活性表面物种的形成和反应进行了原位研究。首先在系统中引入10 kPa的CO，并获得了在20℃下Au@Pt−CeO2上CO吸附的SERS光谱。然后加入50kPa的氧气，减去CO吸附的SERS光谱，得到不同反应时间的不同SERS光谱，揭示Pt−CeO2界面的动态变化。如图10a,c, Pt−O和Ce−O拉曼谱带在体系中一经引入氧气立即出现，随着反应时间的增加，Pt−O和Ce−O的拉曼谱带强度增大，而CO的吸附量逐渐减小。考虑到Pt单独的氧活化能力差和Pt-CeO2界面上的Ce3+缺陷丰富，预计分子氧首先吸附在缺陷位置，然后立即解离，通过补充氧空位，生成晶格Ce−O物种，同时形成化学吸附的Pt−O物种。另一个需要考虑重要问题是，Pt−O和Ce−O，哪一个在CO氧化中更活跃。为了解决这个问题，将样品暴露在20°C的氧气下，Pt−O和Ce−O首先形成。然后将气氛由O2转换为CO，触发Pt−O和Ce−O与CO的反应。图10显示了O2/CO转换后的SERS光谱随时间的变化。在O2/CO转换时，Pt−O拉曼谱带的强度随时间的延长而不断下降。而Ce−O在800 s之前基本保持不变，然后拉曼强度缓慢下降。这样的结果意味着化学吸附Pt−O物种比晶格Ce−O物种更具活性，优先与吸附CO的反应。因此，在铂表面化学吸附的O和附近吸附的CO之间找到了一条更有效的反应途径，这是对传统金属表面−氧化物界面氧化还原机制的有益补充，这表明吸附的CO将直接与可还原金属氧化物中的晶格氧反应。

总之，作者通过Au@Pt−CeO2纳米结构的制备，利用SERS策略在Pt−CeO2界面上进行了氧活化和CO氧化的原位研究。Au@Pt−CeO2纳米结构中，等离子体金核可以显著放大吸附在Pt−CeO2界面上的微量表面物种的拉曼信号，从而可以同时对活性位点和中间体的结构演化进行原位研究。催化实验表明，Pt−CeO2界面的存在提高了CO的氧化活性。直接原位拉曼证据结合同位素取代实验表明，这种改善是由于界面Ce3+缺陷处的氧有效活化为化学吸附的Pt−O物种和晶格的Ce−O物种。在进一步的时间分辨原位SERS研究和DFT计算的基础上，发现化学吸附的Pt−O物种比晶格的Ce−O物种更活跃，这些结果为揭示氧活化和CO氧化的分子机理提供了新的见解和重要的光谱支持。

参考文献：

Diye Wei et al. In Situ Raman Observation of OxygenActivation and Reaction at Platinum−Ceria Interfaces during CO Oxidation. J.Am. Chem. Soc.2021, 143, 15635-15643.