结合非目标分析和目标分析方法，以确定二次铜冶炼厂和铝冶炼厂飞灰中的有机污染物

《Journal of Environmental Sciences》：Combining nontarget and target analysis to determine organic pollutants in secondary copper and aluminum smelter fly ash

CO氧化催化性能受Pt/CeO?催化剂预处理工艺调控，直接H?还原形成较大Pt纳米颗粒（1.3 nm）且金属态占比高，活性优于O?预处理-H?还原工艺的Pt纳米颗粒（<1 nm）。研究揭示了预处理气氛通过调节金属-载体相互作用（MSI）影响Pt分散度与氧化态，进而调控低温CO氧化活性。

　　

吴文丽|陈敏|李博朗|叶文强|王飞|李凯|宁萍|张长斌

昆明理工大学环境科学与工程学院，中国昆明650500

摘要

富氧CO氧化是汽车尾气和室内空气净化中的关键反应。在这一催化领域，精细调节活性位点是一个重大挑战。在本研究中，我们通过改变预处理气氛（直接H₂还原和依次O₂煅烧-H₂还原）来调节Pt/CeO₂催化剂上Pt的化学状态，然后将其应用于CO氧化反应。研究发现，通过直接H₂还原制备的Pt/CeO₂催化剂比通过依次O₂煅烧-H₂还原制备的催化剂具有更高的活性。研究表明，在O₂-H₂条件下，强烈的金属-载体相互作用（MSI）引入了高度分散的小Pt簇。相反，在H₂还原条件下，适度的MSI导致形成了较大的Pt纳米颗粒，显著增加了金属态的比例，从而促进了CO氧化的活性。本研究为设计高效催化剂提供了一种有效策略。

引言

一氧化碳（CO）是一种无色、无味且毒性极强的气体，主要来源于煤炭、石油和天然气等化石燃料的不完全燃烧（Wang等人，2016；Yu等人，2025）。随着现代工业的快速发展以及人类活动的多样化，CO排放量显著增加，对人类健康和全球大气环境构成了严重威胁（Guo等人，2017；Liu等人，2010）。因此，高效去除CO已成为环境修复领域的一个关键问题。传统的物理吸附方法受到饱和-再生循环和二次污染风险的限制。高温催化氧化能耗较高。低温CO氧化技术因其温和的操作条件和广泛的应用前景而受到关注（Dong和Guo，2020；Wen等人，2025）。

负载铂（Pt）基催化剂在低温CO氧化领域得到了广泛研究。Pt具有独特的电子结构，能够高效吸附CO分子并活化氧物种，从而在低温下促进氧化反应（Beniya等人，2020；Ding等人，2015；Mergler等人，1996；Nie等人，2017）。众所周知，催化剂的预处理过程对调节金属-载体相互作用（MSI）和活性位点的结构起着关键作用，进而影响催化性能（Aunkon等人，2025；Jan等人，2019；L. Zeng等人，2023）。例如，Ni等人（2025）在氮气气氛下将催化剂在700°C下煅烧，成功制备出了高性能的单原子催化剂。他们利用非金属阴离子（N^3?）掺杂来削弱强烈的Pt-CeO₂相互作用，打破了“强烈的MSI有益”的传统认知。DeRita等人（2019）证明，不同的预处理条件（氧化、温和还原和剧烈还原）可以诱导负载的孤立Pt原子（Pt_iso）形成不同的稳定构型（如Pt取代的Ti位点、（PtO₂）吸附和（PtOH）吸附），这些构型对CO氧化反应的活性有显著影响。Zou等人（2025）提出了一种通过氮气（N₂）处理诱导自重构的新策略，制备出了完全暴露的Pt簇催化剂（Pt_FEC/Ti-D）。这种催化剂在仅0.1 wt.%的Pt负载下实现了高效的低温CO氧化，在130°C时实现了CO的完全转化。这些研究表明，在不同温度和各种气氛下预处理催化剂显著影响了Pt颗粒与载体之间的金属-载体相互作用（MSI）。这些研究还表明，气氛预处理对调节MSI的影响是多样的，而且MSI对CO氧化活性的影响也很复杂，需要进一步深入研究。

氧化铈（CeO₂）凭借其独特的氧化还原性质（Ce³⁺/Ce⁴⁺循环）和优异的储氧能力，已成为Pt催化剂的理想载体（Rocha等人，2015）。它可以有效调节金属-载体相互作用（MSI），并促进Pt活性位点的均匀分散（Chen等人，2019；Reed等人，2014；Xie等人，2023；Xie等人，2025）。具体来说，氧化或还原气氛和温度也被确定为决定Pt/CeO₂催化剂中Pt物种演变的核心参数（Jones等人，2016）。Lei等人（2025）发现，在800°C下高温煅烧显著去除了Pt/CeO₂催化剂表面的羟基，从而消除了Pt原子重新分散所需的锚定位点并稳定了Pt簇结构。同样，Jones等人（2016）报道了一种通过“原子捕获”方法在高温氧化条件下制备热稳定单原子Pt/CeO₂催化剂的策略。氧化处理促进了Pt物种的氧化和适当的金属-载体相互作用（MSI）的形成，而还原处理有助于调节Pt颗粒大小并引入氧空位（O_v）。Tang等人（2025）在300°C的氢气气氛下对Pt/CeO₂催化剂进行了1小时的预处理以还原Pt物种，从而获得了金属Pt簇。研究表明，在丙烷完全氧化过程中，Pt/CeO₂催化剂活性下降的主要原因是Pt簇在反应条件下的重新分散及其部分转化为Pt单原子。这些单原子物种表现出较低的活性，起到旁观者的作用。Ding等人（2023）通过浸渍法制备了Pt/CeO₂催化剂，并在600°C或800°C的O₂或N₂气氛下进行热处理，实现了氧化或非氧化分散，得到了原子级分散的Pt单原子。他们揭示了微量Pt₁O₄-Ce³⁺-O_v物种在低温CO氧化中的关键催化作用。受这些早期研究的启发，我们提出通过改变催化剂预处理气氛和温度可以有效地调节Pt与CeO₂之间的相互作用强度，从而影响CO氧化的性能。

在本研究中，我们比较了两种典型预处理策略（直接H₂还原和依次O₂煅烧-H₂还原）的调节效果。采用了一系列先进的表征技术来全面分析这两种气氛对Pt物种结构和金属-载体相互作用（MSI）的影响。研究发现，Pt/Ce-400R催化剂在CO氧化中的活性明显高于Pt/Ce-X00A/400R（X?=?2, 3, 4）催化剂。X射线光电子能谱（XPS）分析表明，Pt/Ce-400R中金属铂（Pt⁰）的比例更高，而Pt/Ce-X00A/400R（X?=?2, 3, 4）中氧化铂物种的含量更多。建立了催化剂结构与CO氧化性能之间的结构-活性关系，以阐明预处理气氛的内在调节机制，旨在为高性能Pt/CeO₂催化剂在低温CO氧化中的合理设计和活化提供有价值的参考。

部分摘录

催化剂制备

图1展示了通过浸渍法制备的1 wt.% Pt/CeO₂催化剂。首先将适量的Ce(NO₃)₃·6H₂O（AR，中国北京华药化学试剂有限公司）放入陶瓷坩埚中。然后在马弗炉中，在静态空气气氛下以2°C/min的加热速率从室温加热到350°C，煅烧2小时。这一过程确保了

催化性能

在60-125?°C的温度范围内评估了Pt/CeO₂催化剂的CO氧化活性。如图1a所示，Pt/Ce-400R在该温度范围内表现出优异的催化活性，在90°C时实现了83%的CO转化率。相比之下，其他三个样品（Pt/Ce-200A/400R、Pt/Ce-300A/400R和Pt/Ce-400A/400R）的活性显著较低，在90°C时的CO转化率约为35%。这些样品在10% O₂/Ar气氛下进行煅烧

结论

总之，通过调节Pt物种的纳米结构和金属-载体相互作用（MSI），并利用预处理气氛和温度来调整这些参数，可以提高Pt/CeO₂催化剂的CO氧化性能。直接H₂还原导致的Pt与CeO₂之间的较弱相互作用使得形成了粒径约为1.3 nm的Pt簇，而O₂-H₂还原预处理导致的较强相互作用则形成了较小的Pt颗粒。与Pt/Ce-200A/400R相比，

CRediT作者贡献声明

吴文丽：撰写——原始草稿、方法学、研究、数据分析。陈敏：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、方法学、研究、资金获取、数据分析。李博朗：研究。叶文强：研究。王飞：监督。李凯：监督。宁萍：项目管理。张长斌：撰写——审稿与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

作者是该期刊的编委会成员/主编/副主编/客座编辑，未参与本文的编辑审查或发表决定。

致谢

本工作得到了泾津冀区域综合环境改善-国家科技重大项目（2025ZD1202500）和中国国家自然科学基金（编号22025604和22276204）的支持。