在材料科学与催化工程的交叉领域，氧化铈（CeO₂）凭借独特的物理化学性质成为研究焦点。从汽车尾气净化到能源转化，这种稀土金属氧化物正以其优异的氧化还原性能改写工业催化规则。
近期，美国多机构联合团队在《Nature》发表的突破性研究，揭示了氧化铈纳米结构的重构奥秘，为催化材料的性能提升开辟全新路径。这项发现不仅颠覆了传统认知，更预示着催化技术从纳米颗粒时代向二维材料体系的跨越。
一、氧化铈的结构密码与性能基石
氧化铈晶体遵循萤石型立方结构，每个Ce⁴⁺离子被八个O²⁻离子呈立方体紧密堆积包围，构建起稳定的三维氧化物骨架。这种结构赋予CeO₂独特的氧离子传导特性，其晶格氧可在Ce⁴⁺↔Ce³⁺的价态转变中实现可逆迁移，该过程伴随氧空位（Ov）的动态生成与消除。理论计算显示，氧空位形成能约为1.2-2.5 eV，这种适度的能量阈值使得CeO₂在氧化还原反应中展现出卓越的氧存储与释放能力。
氧化铈二维重构技术：氧空位提升65%，开启工业催化新时代
通过纳米工程调控，氧化铈的本征性能得以进一步优化。当粒径从体相材料的微米级降至纳米尺度（＜50 nm）时，比表面积呈指数级增长，表面原子占比从体相的0.1%提升至30%以上。形态控制研究表明，纳米棒状结构因[111]晶面的高暴露比例，其氧空位浓度较球形颗粒提高40%；而纳米立方体因{100}晶面的特殊电子结构，在CO氧化反应中周转频率（TOF）可达传统材料的2.3倍。
在催化应用领域，氧化铈的多功能性得到充分体现。作为三效催化剂（TWC）核心组分，其在汽车尾气处理中承担关键角色：CeO₂的储氧能力可缓冲发动机富燃/贫燃循环导致的氧浓度波动，使CO、NOₓ和未燃烃类的转化率维持在90%以上。与贵金属（Pt、Pd、Rh）复合时，氧化铈通过强金属-载体相互作用（SMSI），抑制金属颗粒烧结并优化活性位点分布，使催化剂使用寿命延长3-5年。
二、二维重构：高温逆境中的结构新生
传统认知中，750-1000°C的高温环境会导致氧化铈纳米颗粒烧结团聚，引发活性位点损失。美国西北国家实验室联合团队的突破性研究显示，在CO、NO和水蒸气的还原气氛中进行反应性处理，氧化铈纳米颗粒可逆向重构为单原子层厚度的二维CexOy结构。原位AC-STEM观测证实，该过程遵循“解聚-迁移-再成核”机制：高温促使颗粒表面原子获得足够迁移能，在氧化铝载体表面重新排列形成蜂窝状二维网络。
多技术表征揭示了二维结构的独特性能优势。XPS深度剖析显示，二维CexOy的Ce³⁺含量较传统颗粒提升65%，对应氧空位浓度从0.8%增至2.1%；原位XAS测试表明，二维结构的氧迁移活化能降低至0.68 eV，较体相材料下降42%。DFT计算进一步证实，二维结构的表面氧原子处于配位不饱和状态，其对CO的吸附能从体相的0.35 eV降至0.12 eV，显著提升反应动力学。
这种结构重构突破了传统催化剂设计的热力学限制。在NO还原反应中，二维CexOy催化剂的起活温度较传统颗粒降低120°C，N₂选择性提高至98%；在N₂O分解反应中，稳定性测试显示，经100小时850°C老化后，二维催化剂活性保留率达89%，而传统颗粒仅为41%。
三、催化性能跃升：多反应体系的实证突破
在CO氧化反应中，二维CexOy催化剂展现出优异的低温活性。程序升温反应（TPR）结果表明，其起燃温度（T50）低至120°C，较商业催化剂降低60°C。同位素标记实验证实，二维结构的晶格氧参与度高达78%，显著高于传统催化剂的45%，这种高效的氧物种循环机制是活性提升的关键。
氧化铈二维重构技术：氧空位提升65%，开启工业催化新时代
NO还原反应测试揭示了二维结构的协同催化效应。当负载Rh金属时，二维CexOy载体使Rh颗粒的分散度从18%提升至47%，Rh-Ce界面活性位点密度增加3倍。在模拟柴油机尾气条件下，该催化剂的NO转化率在300-500°C温度窗口内保持95%以上，远超传统催化剂的82%。
N₂O分解反应验证了二维催化剂的抗老化性能。在含SO₂和H₂O的严苛气氛中，二维CexOy催化剂经500小时连续反应后，活性衰减率仅为0.015%/h，而传统催化剂的衰减率达0.082%/h。原位DRIFTS表征显示，二维结构通过动态氧空位调节，有效抑制了硫酸盐物种在活性位点的沉积。
四、工业催化新范式：从理论突破到应用前景
这项研究的技术突破为金属-氧化铈催化剂设计提供了全新范式。通过控制反应气氛与温度程序，可实现氧化铈结构从三维颗粒到二维网络的可控转变，这种“逆境重构”策略打破了高温烧结的技术瓶颈。建立的结构-性能关系模型显示，二维CexOy的氧迁移速率与催化活性呈指数正相关（R²=0.92），为催化剂优化提供量化指导。
在汽车尾气处理领域，二维氧化铈催化剂有望推动排放标准升级。模拟国七排放标准测试显示，采用二维催化剂的TWC系统可使NOₓ排放降低至0.02 g/km，CO排放降至0.3 g/km，较现有技术分别提升30%和40%。其优异的热稳定性使催化剂寿命预测延长至15万公里以上，满足未来长周期使用需求。
面向能源与环境领域，二维氧化铈的应用潜力正在释放。在固体氧化物燃料电池（SOFC）中，其高氧传导性可使电解质厚度从100μm减薄至20μm，功率密度提升至1.2 W/cm²；在VOCs催化燃烧领域，二维催化剂可将甲苯完全转化温度降低至250°C，能耗成本下降35%。这些突破预示着氧化铈基材料将在多领域引发技术变革，推动工业催化向高效、低碳方向迈进。
文章来源于——www.xianjichina.com
