近日，上海科技大学物质科学与技术学院杨帆课题组联合中国科学院大连化学物理研究所、中国科学技术大学等单位，在金属氧化物表面缺陷工程与催化研究方面取得关键进展。研究结合模型与实际的催化体系，借助高通量氩离子(Ar⁺)辐照技术在ZnO表面成功构筑了具有热稳定性的配位不饱和Zn (CUZ)位点，系统阐明了CUZ位点在CO加氢中的原子尺度构-效关系，为精准调控金属氧化物缺陷、研发高效且稳定的催化材料提供了新策略。相关成果发表于国际学术期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）。
缺陷工程在金属氧化物催化领域至关重要，然而由于配位不饱和金属位点在反应条件下固有的不稳定性，如何对其进行有效控制仍颇具挑战。本研究在高于再结晶温度的条件下，通过高通量Ar+辐照，在ZnO表面构筑了结构明确的CUZ位点 (图1)。科研团队综合运用扫描隧道显微镜（STM）、近常压X射线光电子能谱（AP-XPS）、表面配体红外光谱（SLIR）、密度泛函理论（DFT）计算以及模型催化反应测试等多种手段，系统考察了ZnO表面的活性位结构 (图2) 与反应特性 (图3），最终发现Ar+离子辐照产生的台阶CUZ位点是CO加氢的活性位点 (图3)。该位点在氢的协同作用下，绕开传统经甲酸盐的产物生成路径(图2和图4)，实现高效CO解离，显著提升ZnO在合成气转化过程中的活性、稳定性和选择性。同时，离子辐照方法有效地抑制了缺陷Zn物种的扩散和湮灭，从而维持了CUZ位点的活性，成功解决了ZnO催化体系中Zn物种易于失活的难题。研究进一步将离子辐照技术应用于粉末催化剂，提高了OXZEO体系催化合成气转化的活性，稳定性和选择性 (图4)，表明该方法具备可扩展性，为在实际工业环境中开发高效稳定的催化材料提供了一种新颖而可行的策略，未来有望在众多催化体系中得到广泛应用。
本工作得到了包信和院士团队的大力支持。上海科技大学博士研究生邵伟鹏、博士后凌云健、博士研究生彭鸿儒、中国科学技术大学罗杰博士和大连化学物理研究所曹云君博士为该论文共同第一作者，上海科技大学杨帆副教授、刘志教授和中国科学技术大学李微雪教授为该论文的共同通讯作者。上海科技大学为第一完成单位。
图1. 化学计量比的ZnO( (S-ZnO)和Ar+-辐照ZnO( (Ar-ZnO)的结构。
图2. CO和CO2与S-ZnO, Ar-ZnO及粉体ZnO催化剂的相互作用。
图3. S-ZnO和Ar-ZnO催化CO加氢的反应动力学及它们与表面缺陷之间的关系。
图4. Ar-ZnO在台阶处氢助CO解离的DFT计算及粉末ZnO催化剂的优化。
论文名称：Ion Irradiation-Induced Coordinatively Unsaturated Zn Sites for Enhanced CO Hydrogenation
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