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.

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.

Supported precious metals with atomic dispersion are of great interest in catalysis due to their potentials in achieving maximum atom efficiency and unique reactivities. Herein, the active sites for low-temperature CO oxidation are elucidated over single-atom Pd1/CeO2 catalysts prepared via high-temperature atom trapping (AT). The increased oxygen vacancies on CeO2 surface induced by 800 °C air calcination result in decreased Pd–CeO2 coordinations, i.e., the coordination-unsaturated Pd2+ on CeO2. Light-off and light-out measurements coupled with CO-DRIFTS and X-ray absorption characterization confirm that these coordination-unsaturated Pd2+ on CeO2 are much more reactive than the fully coordinated counterpart, evidenced by a decrease of T90 (temperature to achieve 90% conversion) by ∼100 °C in CO oxidation at a gas hourly space velocity of 300 L g–1 h–1.

The treatment of emissions from natural gas engines is an important area of research since methane is a potent greenhouse gas. The benchmark catalysts, based on Pd, still face challenges such as water poisoning and long-term stability. Here we report an approach for catalyst synthesis that relies on the trapping of metal single atoms on the support surface, in thermally stable form, to modify the nature of further deposited metal/metal oxide. By anchoring Pt ions on a catalyst support we can tailor the morphology of the deposited phase. In particular, two-dimensional (2D) rafts of PdOx are formed, resulting in higher reaction rates and improved water tolerance during methane oxidation. The results show that modifying the support by trapping single atoms could provide an important addition to the toolkit of catalyst designers for controlling the nucleation and growth of metal and metal oxide clusters in heterogeneous catalysts. Despite its importance in the context of natural gas engines emissions treatment, methane oxidation remains challenging. Now, the authors introduce an approach to stabilize PdOx rafts on ceria by trapping Pt single atoms in the support resulting in a superior catalyst for this transformation.

Pt/CeO2 single-atom catalysts have recently attracted increasing interest due to excellent thermal stability, high atom efficiency, and high activity in catalysis. In this study, by means of density functional theory (DFT) calculations, we systematically compare the stability and CO oxidation reactivity of Pt single atoms supported on CeO2(111) (Pt/CeO2) and Ga-doped CeO2(111) (Pt/Ga–CeO2). It was found that the formation of an oxygen vacancy (OV) is very facile near a surface Ga-doping site (Pt/Ga–CeO2–OV). Significantly, the stability of Pt single atoms anchored on the Ga site was enhanced compared with those on the bare ceria surface. In addition, our DFT results suggest a CO oxidation mechanism on Pt/Ga–CeO2–OV that differs from that on Pt/CeO2. In particular, the OV site plays an important role in activating the oxygen molecule, which then reacts with CO preadsorbed on Pt. The calculated energy barrier on Pt/Ga–CeO2–OV is about 0.43 eV lower than that on the undoped catalyst, suggesting an enhanced reactivity for CO oxidation. Experiments on CO oxidation and in situ diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy are performed to corroborate the results obtained from the DFT calculations, and a good agreement is achieved. The combination between calculations and experiments sheds light on the influence of support doping on atomically dispersed Pt/CeO2 catalysts.

Abstract A single‐atom Pt 1 /CeO 2 catalyst formed by atom trapping (AT, 800 °C in air) shows excellent thermal stability but is inactive for CO oxidation at low temperatures owing to over‐stabilization of Pt 2+ in a highly symmetric square‐planar Pt 1 O 4 coordination environment. Reductive activation to form Pt nanoparticles (NPs) results in enhanced activity; however, the NPs are easily oxidized, leading to drastic activity loss. Herein we show that tailoring the local environment of isolated Pt 2+ by thermal‐shock (TS) synthesis leads to a highly active and thermally stable Pt 1 /CeO 2 catalyst. Ultrafast shockwaves (>1200 °C) in an inert atmosphere induced surface reconstruction of CeO 2 to generate Pt single atoms in an asymmetric Pt 1 O 4 configuration. Owing to this unique coordination, Pt 1 δ+ in a partially reduced state dynamically evolves during CO oxidation, resulting in exceptional low‐temperature performance. CO oxidation reactivity on the Pt 1 /CeO 2 _TS catalyst was retained under oxidizing conditions.

A hybrid catalytic system comprised of metal oxide and Cu or Fe exchanged zeolite components represents a potential advancement of state-of-the-art for selective catalytic reduction (SCR) of NOx by ammonia, including an elegant solution to the current challenge of improving the low-temperature efficiency of SCR catalysts. The idea is to enable in-situ NO oxidation over metal oxide component and concomitant fast SCR over zeolite component in the so-called “bifunctional mechanism”. This review is presented in the wake of growing interest in this innovative catalytic system. We begin this review by presenting key parameters that contribute to the synergy between metal oxide and zeolite components. Then, we discuss the materials selection for both components and their possible interactions in the system, followed by a summary of recent NH3-SCR investigations over multiple metal oxide–zeolite pairs and additional discussion on pairing techniques potentially explorable in upcoming studies. We end the review by providing the perspectives on future challenges in the development of this catalytic system.