Catalysts based on single atoms of scarce precious metals can lead to more efficient use through enhanced reactivity and selectivity. However, single atoms on catalyst supports can be mobile and aggregate into nanoparticles when heated at elevated temperatures. High temperatures are detrimental to catalyst performance unless these mobile atoms can be trapped. We used ceria powders having similar surface areas but different exposed surface facets. When mixed with a platinum/aluminum oxide catalyst and aged in air at 800°C, the platinum transferred to the ceria and was trapped. Polyhedral ceria and nanorods were more effective than ceria cubes at anchoring the platinum. Performing synthesis at high temperatures ensures that only the most stable binding sites are occupied, yielding a sinter-resistant, atomically dispersed catalyst.

To improve fuel efficiency, advanced combustion engines are being designed to minimize the amount of heat wasted in the exhaust. Hence, future generations of catalysts must perform at temperatures that are 100°C lower than current exhaust-treatment catalysts. Achieving low-temperature activity, while surviving the harsh conditions encountered at high engine loads, remains a formidable challenge. In this study, we demonstrate how atomically dispersed ionic platinum (Pt2+) on ceria (CeO2), which is already thermally stable, can be activated via steam treatment (at 750°C) to simultaneously achieve the goals of low-temperature carbon monoxide (CO) oxidation activity while providing outstanding hydrothermal stability. A new type of active site is created on CeO2 in the vicinity of Pt2+, which provides the improved reactivity. These active sites are stable up to 800°C in oxidizing environments.

Catalysis by single isolated atoms of precious metals has attracted much recent interest, as it promises the ultimate in atom efficiency. Most previous reports are on reducible oxide supports. Here we show that isolated palladium atoms can be catalytically active on industrially relevant γ-alumina supports. The addition of lanthanum oxide to the alumina, long known for its ability to improve alumina stability, is found to also help in the stabilization of isolated palladium atoms. Aberration-corrected scanning transmission electron microscopy and operando X-ray absorption spectroscopy confirm the presence of intermingled palladium and lanthanum on the γ-alumina surface. Carbon monoxide oxidation reactivity measurements show onset of catalytic activity at 40 °C. The catalyst activity can be regenerated by oxidation at 700 °C in air. The high-temperature stability and regenerability of these ionic palladium species make this catalyst system of potential interest for low-temperature exhaust treatment catalysts. There has been a great deal of interest in single-atom heterogeneous catalysis recently. Here, the authors show that industrially relevant lanthanum oxide-doped alumina supports are capable of stabilizing atomically dispersed palladium species, which are evaluated for low-temperature carbon monoxide oxidation.

In this work, we compare the CO oxidation performance of Pt single atom catalysts (SACs) prepared via two methods: (1) conventional wet chemical synthesis (strong electrostatic adsorption-SEA) with calcination at 350 °C in air; and (2) high temperature vapor phase synthesis (atom trapping-AT) with calcination in air at 800 °C leading to ionic Pt being trapped on the CeO2 in a thermally stable form. As-synthesized, both SACs are inactive for low temperature (<150 °C) CO oxidation. After treatment in CO at 275 °C, both catalysts show enhanced reactivity. Despite similar Pt metal particle size, the AT catalyst is significantly more active, with onset of CO oxidation near room temperature. A combination of near-ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy (NAP-XPS) and CO temperature-programmed reduction (CO-TPR) shows that the high reactivity at low temperatures can be related to the improved reducibility of lattice oxygen on the CeO2 support.

Single-atom catalysts have attracted attention because of improved atom efficiency, higher reactivity, and better selectivity. A major challenge is to achieve high surface concentrations while preventing these atoms from agglomeration at elevated temperatures. Here we investigate the formation of Pt single atoms on an industrial catalyst support. Using a combination of surface sensitive techniques such as XPS and LEIS, X-ray absorption spectroscopy, electron microscopy, as well as density functional theory, we demonstrate that cerium oxide can support Pt single atoms at high metal loading (3 wt % Pt), without forming any clusters or 3D aggregates when heated in air at 800 °C. The mechanism of trapping involves a reaction of the mobile PtO2 with under-coordinated cerium cations present at CeO2(111) step edges, allowing Pt to achieve a stable square planar configuration. The strong interaction of mobile single-atom species with the support, present during catalyst sintering and regeneration, helps explain the sinter resistance of ceria-supported metal catalysts.

Ceria is known to be a very good catalyst as well as a support for oxygen transfer (oxidation) as well as for hydrogen transfer (hydrogenation and dehydrogenation) reactions. Many of these reactions occur at high temperatures where ceria is known to sinter, leading to loss of surface area. The thermal stability of ceria can be improved by the addition of dopants, but the location of the dopant atoms and the mechanisms by which ceria stabilization occurs are poorly understood. We show here that dopants located on the surface of ceria are remarkably effective at stabilizing ceria surface area. Keeping metal loading constant at 0.88 mol%, we found that surface area of the ceria aged at 800 °C in air for 5 h ranged from 45 m2/g to 2 m2/g. Strongly bound dopants in atomically dispersed form help to pin surface sites and lower the mobility of ceria.

Journal Article Designing Catalysts for Meeting the DOE 150 °C Challenge for Exhaust Emissions Get access Cristihan Carrillo, Cristihan Carrillo Department of Chemical and Biological Engineering and Center for Micro-Engineered Materials, University of New Mexico, Albuquerque, NM, USA Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar Haifeng Xiong, Haifeng Xiong Department of Chemical and Biological Engineering and Center for Micro-Engineered Materials, University of New Mexico, Albuquerque, NM, USA Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar Andrew T DeLaRiva, Andrew T DeLaRiva Department of Chemical and Biological Engineering and Center for Micro-Engineered Materials, University of New Mexico, Albuquerque, NM, USA Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar Deepak Kunwar, Deepak Kunwar Department of Chemical and Biological Engineering and Center for Micro-Engineered Materials, University of New Mexico, Albuquerque, NM, USA Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar Eric J Peterson, Eric J Peterson Department of Chemical and Biological Engineering and Center for Micro-Engineered Materials, University of New Mexico, Albuquerque, NM, USA Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar Sivakumar R Challa, Sivakumar R Challa Department of Chemical and Biological Engineering and Center for Micro-Engineered Materials, University of New Mexico, Albuquerque, NM, USA Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar Gongshin Qi, Gongshin Qi General Motors Global R&D, 30500 Mound Road, Warren, MI, USA Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar Se Oh, Se Oh General Motors Global R&D, 30500 Mound Road, Warren, MI, USA Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar Michelle H Wiebenga, Michelle H Wiebenga General Motors Global R&D, 30500 Mound Road, Warren, MI, USA Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar Xavier Isidro Pereira Hernandez, Xavier Isidro Pereira Hernandez Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering, Washington State University, Pullman, WA, USA Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar ... Show more Yong Wang, Yong Wang Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering, Washington State University, Pullman, WA, USAInstitute for Integrated Catalysis, Pacific Northwestern National Laboratory, Richland, WA, USA Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar Abhaya K Datye Abhaya K Datye Department of Chemical and Biological Engineering and Center for Micro-Engineered Materials, University of New Mexico, Albuquerque, NM, USA Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar Microscopy and Microanalysis, Volume 23, Issue S1, 1 July 2017, Pages 2028–2029, https://doi.org/10.1017/S1431927617010807 Published: 04 August 2017

Abstract We report a single atom Rh 1 /CeO 2 catalyst prepared by the high temperature (800 °C) atom trapping (AT) method which is stable under both oxidative and reductive conditions. Infrared spectroscopic and electron microscopy characterization revealed the presence of exclusively ionic Rh species. These ionic Rh species are stable even under reducing conditions (CO at 300 °C) due to the strong interaction between Rh and CeO 2 achieved by the AT method, leading to high and reproducible CO oxidation activity regardless of whether the catalyst is reduced or oxidized. In contrast, ionic Rh species in catalysts synthesized by a conventional impregnation approach (e. g., calcined at 350 °C) can be readily reduced to form Rh nanoclusters/nanoparticles, which are easily oxidized under oxidative conditions, leading to loss of catalytic performance. The single atom Rh 1 /CeO 2 catalysts synthesized by the AT method do not exhibit changes during redox cycling hence are promising catalysts for emission control where redox cycling is encountered, and severe oxidation (fuel cut) leads to loss of performance.

Nanosized cerium oxide (CeO2) has been extensively used as an oxygen storage component in automotive emission control systems. However, the possible involvement of atomically dispersed cerium (Ce) has not been explored. Here, we demonstrate the controllable transformation of CeO2 nanoparticles into isolated Ce1 cations on the surface of gamma-type alumina (γ-Al2O3) via reductive atom trapping, achieving over half-monolayer coverage. Supported single-atom rhodium (Rh1) surrounded by dispersed Ce1 shows superior performance to Rh1 on bare Al2O3 or crystalline CeO2 in catalyzing NO reduction, exhibiting a striking one-order-of-magnitude increase in turnover frequency. Dispersed Ce1 also exhibits greatly enhanced oxygen transfer capability and introduces a modified reaction mechanism that involves adjacent Rh1-Ce1 dual-sites, resulting in a greatly decreased activation barrier (96 vs. 192 kJ/mol). The understanding of reductive atom trapping of Ce1 as well as its structure-property relationships obtained in this work could be implemented in the rational design of Ce1-promoted catalysts for many other applications. Benefiting from the greatly enhanced OSC, activity enhancements are also seen with Ce1-promoted platinum nanoparticles for the oxidation of CO and hydrocarbons. Additionally, dispersing Ce1 on Al2O3 results in modified surface properties, which could be further utilized to explore the field of acid-base catalysis