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催化反應(yīng)在現(xiàn)代工業(yè)中扮演著關(guān)鍵角色。催化劑的穩(wěn)定性是工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵指標(biāo)，高度穩(wěn)定的催化結(jié)構(gòu)為工業(yè)裝置實現(xiàn)長周期運行提供了堅實保障。

近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰教授課題組取得突破性進展，創(chuàng)制出一種創(chuàng)新的新型納米島結(jié)構(gòu)催化劑，成功解決了超細金屬納米顆粒燒結(jié)難題。

曾杰介紹，"我們在催化劑載體和金屬納米顆粒之間構(gòu)筑了一種小尺寸、互不相連的氧化物團簇，其結(jié)構(gòu)就像漂浮在海面上的孤島，因此被命名為'納米島'。在催化反應(yīng)過程中，金屬原子組成的納米顆粒就像被困在海島中的'士兵'一樣，被牢牢束縛在納米島中無法燒結(jié)。"

課題組的創(chuàng)新成果——新型納米島結(jié)構(gòu)催化劑，成功解決了超細金屬納米顆粒燒結(jié)難題。

在諸多催化反應(yīng)中，超細金屬納米顆粒因其巨大的暴露面積和極高的原子利用率而備受關(guān)注。研究人員通常將其分散在具有錨定作用的載體上，形成負載型催化劑。

然而，在實際催化過程中，超細金屬納米顆粒極易受到高溫和復(fù)雜化學(xué)環(huán)境的影響，導(dǎo)致自發(fā)聚集，最終降低催化活性。這一現(xiàn)象被稱作催化劑的燒結(jié)。

負載型催化劑的燒結(jié)路徑取決于載體對金屬納米顆粒的錨定作用。當(dāng)錨定作用較弱時，顆粒會在載體表面隨機移動，最終發(fā)生碰撞聚集；當(dāng)錨定作用過強時，金屬原子會從顆粒表面崩解，就像潰散的士兵般重新融入附近的顆粒。最終，顆粒尺寸增大，催化活性急劇下降。

因此，如何通過開發(fā)新型超細金屬納米顆粒抗燒結(jié)策略來提升催化劑的穩(wěn)定性，是催化科學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵難題。

在本次研究中，曾杰團隊基于對燒結(jié)路徑的深入理解，創(chuàng)制了一種新型納米島結(jié)構(gòu)催化劑。與傳統(tǒng)負載型催化劑不同，他們在納米顆粒和載體之間嵌入了小尺寸且分布均勻的金屬氧化物團簇，并命名為"納米島"。

在催化反應(yīng)中，納米島對顆粒的錨定作用更強時，顆粒的遷移燒結(jié)傾向會受到抑制。此外，納米島之間互不相連，決定了崩解的金屬原子無法"跨島"遷移。因此，納米島結(jié)構(gòu)催化劑能夠同時截斷兩種燒結(jié)路徑，有望顯著提升其抗燒結(jié)性能。

為了構(gòu)建納米島結(jié)構(gòu)催化劑，研究團隊首先通過高溫受控團聚的方法，在氧化物與載體之間建立了強吸附作用，成功制備出尺寸小、密度高的氧化物納米島。與傳統(tǒng)多組分催化劑相比，本研究的創(chuàng)新之處在于實現(xiàn)了金屬顆粒在納米島上的精準(zhǔn)定位。為此，研究團隊巧妙地引入了電性匹配原理，通過載體與納米島間的電性差異構(gòu)建了定向吸附作用，使金屬離子優(yōu)先附著在納米島上；同時結(jié)合溶劑的蒸發(fā)過程，促進了金屬離子向納米島周圍富集。在高溫氫氣處理后，還原得到的金屬納米顆粒被錨定在納米島表面。

為了實現(xiàn)對常見載體、氧化物納米島以及金屬活性位點的系統(tǒng)化研究，研究團隊建立了涵蓋多達270種可定制化結(jié)構(gòu)組合的納米島催化劑材料庫。其中，氧化硅負載的氧化鑭納米島對釕納米顆粒的穩(wěn)定效果尤為顯著。經(jīng)過800攝氏度氫氣處理上百小時，單一氧化物載體負載的釕納米顆粒成功燒結(jié)至70納米尺寸；相比之下，具有納米島結(jié)構(gòu)的釕納米顆粒則穩(wěn)定地維持在1.4納米的超微尺寸。

為了驗證納米島結(jié)構(gòu)催化劑在極端苛刻條件下的抗燒結(jié)性能，研究團隊將其應(yīng)用于甲烷干重整反應(yīng)的研究。該反應(yīng)因其在溫室氣體資源化利用中的巨大潛力而倍受關(guān)注。

實驗結(jié)果表明，納米島催化劑在高氣體流速下實現(xiàn)了單程400小時的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化，成功應(yīng)對了高溫和還原性氣氛導(dǎo)致的催化劑失活問題。值得注意的是，在納米島上穩(wěn)定的1.4納米級的釕納米顆粒始終未發(fā)生移動，再次證明了納米島結(jié)構(gòu)在抗燒結(jié)催化劑開發(fā)中的關(guān)鍵作用。

“我們開發(fā)了一種非常有效且巧妙的抗燒結(jié)催化劑制備策略，這一策略對各類材料體系具有普遍的重要意義?！睂徃鍖＜胰缡窃u價。記者 汪喬