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催化反應(yīng)作為現(xiàn)代工業(yè)的核心基礎(chǔ)，在能源轉(zhuǎn)化、化工生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。催化劑體系的穩(wěn)定性是工業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，高度穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為工業(yè)裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行提供了有力支撐。

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰課題組研究團(tuán)隊(duì)突破了負(fù)載型催化劑在高溫等復(fù)雜化學(xué)環(huán)境中易發(fā)生相變的難題，成功制備出一種新型納米島結(jié)構(gòu)催化劑。3月10日，相關(guān)研究成果正式發(fā)表于國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《自然材料》。

曾杰課題組介紹，他們通過(guò)在載體和金屬納米顆粒之間構(gòu)建一種尺寸小且相互分離的氧化物團(tuán)簇，成功實(shí)現(xiàn)了"納米島"結(jié)構(gòu)的制備。這種結(jié)構(gòu)就像海洋中散落的小島，其獨(dú)特的空間排列方式使得金屬納米顆粒無(wú)法自由移動(dòng)。在催化反應(yīng)過(guò)程中，金屬原子組成的納米顆粒就像被困在海島中的"千軍"一樣，被牢牢束縛在納米島中無(wú)法進(jìn)行相變。

新型納米島結(jié)構(gòu)催化劑的制備過(guò)程得到了課題組供圖的實(shí)驗(yàn)示意圖支持。

在許多催化反應(yīng)中，超細(xì)金屬納米顆粒因其具有極大的暴露面積和極高的原子利用率而備受關(guān)注。研究人員通常會(huì)將這些納米顆粒負(fù)載在特定的載體上，形成具有優(yōu)異性能的催化劑。

然而，在實(shí)際催化過(guò)程中，超細(xì)金屬納米顆粒往往容易受到高溫等復(fù)雜環(huán)境條件的影響，導(dǎo)致自發(fā)凝聚，從而顯著降低催化活性。這種現(xiàn)象被稱作催化劑的相變。

催化劑的相變過(guò)程受到載體對(duì)金屬納米顆粒的錨定作用的影響。當(dāng)錨定作用較弱時(shí)，納米顆粒會(huì)在載體表面隨機(jī)遷移，最終與其他納米顆粒相互凝聚形成較大的顆粒，導(dǎo)致催化活性急劇下降。當(dāng)錨定作用過(guò)強(qiáng)時(shí)，金屬原子會(huì)從納米顆粒表面崩解，就像潰散的士兵一般重新融入附近的納米顆粒，最終同樣形成較大的顆粒，同樣導(dǎo)致催化活性的斷崖式下降。

因此，如何在極端苛刻的催化反應(yīng)條件下，通過(guò)開發(fā)具有抗相變特性的超細(xì)金屬納米顆粒，提升催化劑體系的穩(wěn)定性，一直是催化科學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵難題。

此次研究中，曾杰課題組團(tuán)隊(duì)基于對(duì)相變路徑的深入理解，成功制備出一種新型納米島結(jié)構(gòu)催化劑。與傳統(tǒng)負(fù)載型催化劑相比，他們通過(guò)在納米顆粒和載體之間引入尺寸小且分布均勻的氧化物團(tuán)簇，并利用其互不相連的特性命名為"納米島"。

研究表明，在催化反應(yīng)中，納米島對(duì)納米顆粒的錨定作用更強(qiáng)時(shí)，納米顆粒與載體之間的整體遷移相變傾向會(huì)得到有效抑制。此外，由于納米島之間互不相連，導(dǎo)致崩解的金屬原子無(wú)法"跨島"遷移。因此，納米島結(jié)構(gòu)催化劑可以通過(guò)同時(shí)截?cái)鄡煞N相變路徑，顯著提升其抗相變性能，為解決催化反應(yīng)中的關(guān)鍵難題提供了新的思路。

為構(gòu)建納米島結(jié)構(gòu)催化劑，研究團(tuán)隊(duì)首先在氧化物與載體之間建立強(qiáng)的吸附作用，通過(guò)受控團(tuán)聚技術(shù)合成尺寸為納米級(jí)、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)新點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了金屬顆粒在納米島上的精準(zhǔn)分布。為此，研究團(tuán)隊(duì)巧妙運(yùn)用電性匹配原理，通過(guò)載體與納米島之間的電性差異構(gòu)建定向吸附模式，使金屬離子優(yōu)先附著在納米島表面；同時(shí)結(jié)合溶劑的蒸發(fā)作用，促進(jìn)金屬離子向納米島周圍富集。在后續(xù)高溫氫氣還原處理中，金屬離子被固定在納米島上的超微結(jié)構(gòu)上。

針對(duì)常見的載體類型、氧化物納米島結(jié)構(gòu)以及金屬活性位點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地構(gòu)建了納米島催化劑的材料庫(kù)，其中包含多達(dá)270種可定制化的組合模式。實(shí)驗(yàn)表明，氧化硅負(fù)載的氧化鑭納米島在釕納米顆粒的穩(wěn)定性能方面具有顯著優(yōu)勢(shì)：經(jīng)過(guò)800℃氫氣處理數(shù)小時(shí)，單個(gè)氧化物載體負(fù)載的釕納米顆粒可成功燒結(jié)至70納米尺寸；而通過(guò)納米島結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)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(yàn)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(tuán)隊(duì)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領(lǐng)域的重大意義而倍受關(guān)注。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米島催化劑在高氣體流速下實(shí)現(xiàn)了400小時(shí)的單程轉(zhuǎn)化效率，成功應(yīng)對(duì)了高溫還原條件下催化劑失活的難題。值得注意的是，在納米島上穩(wěn)定生長(zhǎng)的1.4納米釕納米顆粒始終未發(fā)生移動(dòng)，這再次凸顯了納米島結(jié)構(gòu)在抗燒結(jié)催化劑開發(fā)中的關(guān)鍵作用。

該研究獲得專家的高度評(píng)價(jià)："本研究開發(fā)了一種高效可靠的抗燒結(jié)催化劑制備策略，對(duì)多類材料體系具有廣泛的指導(dǎo)意義。"（記者 汪喬）