本文综述了CO选择性催化还原NO_x (CO-SCR)贵金属催化剂的研究进展。

从CO-SCR的反应机理、贵金属催化剂的设计和优化策略进行了综述，重点讨论了组成和结构效应。总结了在不同设计策略下贵金属催化剂的催化活性和稳定性。提出了目前面临的挑战和进一步的研究前景。最近开发的带负电贵金属单原子催化剂，可以看出，合理设计具有负电活性金属位点的催化剂和扩大其普遍适用性在催化领域具有很大的潜力。

背景介绍

氮氧化物(NO_x)是一种常见的大气污染物，可导致环境问题，包括光化学烟雾、酸雨和雾霾的形成。这些问题对人类健康构成重大威胁。在来自固定和移动源的含有氮氧化物的废气中，一定量的CO持续存在，也对人类健康构成重大威胁。

CO-SCR是同时减少机动车尾气和工业烟气中NO_x和CO排放的可行方法。贵金属催化剂相较于非贵金属催化剂，在有氧条件下表现出优异的催化活性和抗氧性，尽管其成本较高，但仍有进一步研究的意义。贵金属催化剂在过量的O₂、H₂O和SO₂存在的情况下，在宽温度窗口内实现高转化率、选择性和稳定性仍然是一个重大挑战。

反应机理及设计、优化策略

1. 反应机理

1.1 Langmuir-Hinshelwood (L-H)机理

L-H机理被认为是吸附物之间的反应。NO的吸附在活性位点，破坏N-O键，形成吸附的N和O原子，然后，O原子与CO分子反应生成CO₂，而相邻的两个N原子结合生成N₂。

1.2 Eley-Rideal (E-R)和Mars van Krevelen (MvK)机理

E-R机制被认为是涉及气态分子和被吸附物质的反应。MvK机制被定义为涉及吸附物和晶格氧之间反应的过程。

2. 设计、优化策略

2.1 组成效应

2.1.1 活性金属位点的形成

活性金属是催化剂的重要组成部分，它们具有独特的结构和位置，作为催化反应的活性位点，允许吸附和解离反应物，促进反应。在CO-SCR过程中，活性金属调节NO和CO的吸附/解离，从而影响催化活性。

2.1.2 选择合适的载体

贵金属催化剂的催化活性受载体材料的组成、结构、理化性质和表面性质的显著影响。多种金属氧化物作为载体的组合已被观察到可以改善催化性能。

2.1.3 添加助剂

单一活性金属在载体上的催化性能仍然有限，助剂的加入允许与活性成分直接相互作用，导致活性位点的物理化学性质的改变，从而影响催化剂的催化活性。

2.2 结构效应

2.2.1 单金属纳米颗粒

单金属贵金属纳米颗粒在催化反应中起着至关重要的作用，包括加速反应速率、提高选择性和增强稳定性。尽管贵金属催化剂的大规模应用成本更高，也更具挑战性，但由于其优越的催化活性、选择性和抗氧化性能，贵金属催化剂是不可替代的。

2.2.2 合金化

合金化策略是提高单金属纳米颗粒催化性能的有效途径之一。双金属合金是合金的一种基本形式，具有合成简单、电子结构可调、活性中心独特、相互作用等优点，在CO-SCR应用中具有广阔的前景。

2.2.3 单原子催化剂

近年来，单原子催化剂因其独特的电子结构和最大化的原子利用率在催化领域备受关注。而带负电的Pt单原子催化剂所表现出的良好的催化活性和稳定性，优于带正电荷的Pt单原子。这一发现将促使人们研究带负电荷的贵金属单原子催化剂，同时将其拓展到非贵金属中。

总结与展望

尽管与非贵金属相比，贵金属表现出更优的催化活性和更强的抗氧能力。但是在过量的O₂和H₂O以及SO₂存在的情况下，在更宽的温度条件下实现高转化率、选择性和稳定性仍然是一个重大挑战。今后的研究方向从以下几方面进行：

（1）利用多种原位技术深入研究其机理。对反应过程中发生的变化进行更全面的探索，包括对反应中间体、金属价态和配位环境变化的研究，为精确高效合成催化剂提供见解；

（2）负电单原子催化剂的设计与合成。与带正电荷的单原子催化剂相比，带负电荷的单原子催化剂具有更高的催化效率，彰显了它们的前景，因此进一步研究各类负电单原子催化剂有效的制备方法及其在催化应用中的普适性具有重要意义。

（3）促进工业应用。在追求提高贵金属催化剂效率的同时，也必须注重将贵金属的负载量和成本降至最低，以促进贵金属的实际运用，从而为工业进步奠定基础。