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**小編**報道:3月10日,新華社合肥電中國科學技術大學曾杰教授團隊成功開發(fā)了一種新型納米島結構催化劑,成功攻克了甲烷干重整反應中催化劑易燒結失活的技術難題。相關研究成果已在國際學術期刊《自然·材料》上發(fā)表。
超細金屬納米顆粒因其優(yōu)異的原子利用率,受到多相催化領域的廣泛關注。然而,在催化反應過程中,這些納米顆粒容易受到高溫等環(huán)境因素的影響,導致自發(fā)聚集,從而降低其活性。這一現(xiàn)象被稱為"燒結"。因此,開發(fā)抗燒結的超細金屬納米顆粒策略,成為催化科學領域亟需解決的關鍵問題。
在此次研究工作中,研究人員深入理解了燒結路徑的機制,創(chuàng)新性地設計了一種納米島結構催化劑。具體而言,研究人員在載體與金屬顆粒之間嵌入了一種均勻分布、尺寸小且互不相連的金屬氧化物團簇。由于其島狀結構,這種團簇被命名為納米島。與傳統(tǒng)的載體相比,納米島對金屬顆粒的錨定作用更強,從而阻止了顆粒的整體遷移和燒結。此外,納米島之間的互不相連,使得從顆粒表面脫離的金屬原子難以跨島遷移。通過同時切斷兩種主要的燒結路徑,納米島結構有望顯著提升催化劑的抗燒結性能。
為開發(fā)納米島結構催化劑,研究人員首先在氧化物與載體之間建立了強吸附作用,并通過受控團聚技術獲得小尺寸、高密度的氧化物納米島。接著,利用電性匹配原理和溶劑蒸發(fā)相結合的方法,實現(xiàn)了金屬顆粒在納米島上的精準落位。針對不同的載體、納米島和活性金屬種類,研究人員建立了相應的納米島結構催化劑材料庫。其中,二氧化硅負載的氧化鑭納米島對釕納米顆粒的穩(wěn)定性能尤為突出。
研究人員將該催化劑應用于甲烷干重整反應中進行實驗驗證。實驗結果顯示,催化劑實現(xiàn)了400小時的穩(wěn)定轉化過程,并且反應后釕納米顆粒的尺寸始終保持在1.4納米。這一成果成功解決了因高溫等導致的催化劑失活問題。此外,通過定制活性金屬和載體,納米島結構催化劑有望為多種催化反應中面臨的燒結失活問題提供有效的解決方案。
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