氧化物负载的金属纳米催化剂是一类重要的多相催化剂,在工业、能源和环境催化反应领域中有着极其广泛的应用。研究表明,金属-氧化物界面在众多催化反应体系中发挥着至关重要的作用。因此,合理的设计和优化金属-氧化物界面是合成高效催化剂的有效途径。然而,传统的催化剂湿化学合成方法,难以实现金属-氧化物界面的原子级精细调控,因而无法达到最佳的催化效果。原子层沉积技术(ALD),基于其分子级表面自限性反应的技术特点,从原子层面精准调控氧化物在金属纳米颗粒表面的覆盖度、分散度以及厚度,继而实现金属-氧化物界面的最佳优化。本课题中,我们将ALD技术与传统的湿化学合成方法相结合,在SiO2载体上成功制备出9种二维金属-氧化物亚纳米团簇催化剂,并进一步设计出Pt1-Ni1(OH)x双原子催化剂。上述催化剂在氧化、加氢以及放氢反应中都表现出了优异的催化性能。研究具体内容如下:首先,我们提出一种从原子角度精准制备二维Pt-CoOx亚纳米团簇催化剂的合成策略。3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)与PtClxδ-之间的静电相互作用和Pt-CoOx之间的强相互作用促进了二维Pt-CoOx亚纳米团簇的形成。HAADF-STEM、XAFS等表征技术进一步证实亚纳米金属-氧化物团簇几乎是一个双层结构,即Pt亚纳米团簇以单层结构的形式分布在载体表面,CoOx则是高度分散在单层Pt亚纳米团簇上,进而形成了丰富的二维Pt-CoOx界面。在富氢氛围CO优先氧化反应中,该催化剂可以在25-140℃温度区间内实现CO完全转化,同时保持100%CO选择性,远远高于传统的三维Pt-CoOx纳米颗粒和Pt1/Co3O4催化剂。DRIFTS和XPS实验结果表明,相比于三维Pt-CoOx纳米颗粒催化剂,二维Pt-CoOx亚纳米团簇中Pt呈现出更高的价态,因而导致CO在Pt上的吸附能降低。因此,二维Pt-CoOx团簇较弱CO吸附能以及形成的更加丰富的金属-氧化物界面可能是催化性能提升的根本原因。其次,在Pt-CoOx催化剂的合成策略的基础上,我们成功制备出二维Pd-NiOx亚纳米团簇催化剂。HAADF-STEM、XAFS实验结果证实Pd-NiOx亚纳米团簇是一个双层结构,由一层Pd原子和一层NiOx组成。DRIFTS结果表明随着Pd团簇维度的降低,Pd-NiOx之间的电子转移方向发生了反转。在乙炔选择性加氢反应中,与传统的三维Pd-NiOx纳米颗粒和Pd1Ag合金单原子催化剂相比,双层Pd-NiOx亚纳米团簇催化剂表现出优异的催化活性、选择性和稳定性。同时,我们又对该合成策略进行了拓展,并成功合成出了其他7种双层金属-氧化物亚纳米团簇催化剂(Pt-NiOx、Pt-CuOx、Pt-ZnO、Pd-ZnOx、Ir-NiOx、Ir-CuOx和Ir-ZnO)。HAADF-STEM结果证明了双层金属-氧化物结构的存在。最后,我们通过ALD技术在C3N4载体上制备出Pt1-Ni1(OH)x双原子催化剂。HAADF-STEM、XAFS等表征技术证实了 Pt1-Ni1(OH)x双原子的存在。XPS和DRIFTS实验结果进一步表明Pt1单原子与Ni1(OH)x之间发生了明显的电子转移,形成了独特的Pt1-Ni1(OH)x双原子界面。在氨硼烷水解反应中,Pt1-Ni1(OH)x双原子催化剂展现出优异的催化性能,放氢速率高达1444 molH2 molpt-1 min-1,大约是Pt1/C3N4单原子催化剂的13倍。同位素动力学实验结果表明水的解离是反应的决速步。Pt原子和Ni1(OH)x原子之间的协同催化作用促进了催化活性的大大提高。