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**小編**報(bào)道：3月10日，新華社合肥電中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰教授團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了一種新型納米島結(jié)構(gòu)催化劑，成功攻克了甲烷干重整反應(yīng)中催化劑易燒結(jié)失活的技術(shù)難題。相關(guān)研究成果已在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·材料》上發(fā)表。
超細(xì)金屬納米顆粒因其優(yōu)異的原子利用率，受到多相催化領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。然而，在催化反應(yīng)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(dǎo)致自發(fā)聚集，從而降低其活性。這一現(xiàn)象被稱為"燒結(jié)"。因此，開發(fā)抗燒結(jié)的超細(xì)金屬納米顆粒策略，成為催化科學(xué)領(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵問題。
在此次研究工作中，研究人員深入理解了燒結(jié)路徑的機(jī)制，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種納米島結(jié)構(gòu)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(tuán)簇。由于其島狀結(jié)構(gòu)，這種團(tuán)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(qiáng)，從而阻止了顆粒的整體遷移和燒結(jié)。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(shí)切斷兩種主要的燒結(jié)路徑，納米島結(jié)構(gòu)有望顯著提升催化劑的抗燒結(jié)性能。
為開發(fā)納米島結(jié)構(gòu)催化劑，研究人員首先在氧化物與載體之間建立了強(qiáng)吸附作用，并通過受控團(tuán)聚技術(shù)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(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了金屬顆粒在納米島上的精準(zhǔn)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(yīng)的納米島結(jié)構(gòu)催化劑材料庫。其中，二氧化硅負(fù)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(yīng)用于甲烷干重整反應(yīng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，催化劑實(shí)現(xiàn)了400小時(shí)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化過程，并且反應(yīng)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(dǎo)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(jié)構(gòu)催化劑有望為多種催化反應(yīng)中面臨的燒結(jié)失活問題提供有效的解決方案。
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