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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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)保障。

近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰教授課題組取得突破性進(jìn)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(xì)金屬納米顆粒燒結(jié)難題。

曾杰介紹，"我們?cè)诖呋瘎┹d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(tuán)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(guò)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(wú)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(xì)金屬納米顆粒燒結(jié)難題。

在諸多催化反應(yīng)中，超細(xì)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(fù)載型催化劑。

然而，在實(shí)際催化過(guò)程中，超細(xì)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(chēng)作催化劑的燒結(jié)。

負(fù)載型催化劑的燒結(jié)路徑取決于載體對(duì)金屬納米顆粒的錨定作用。當(dāng)錨定作用較弱時(shí)，顆粒會(huì)在載體表面隨機(jī)移動(dòng)，最終發(fā)生碰撞聚集；當(dāng)錨定作用過(guò)強(qiáng)時(shí)，金屬原子會(huì)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(guò)開(kāi)發(fā)新型超細(xì)金屬納米顆?？篃Y(jié)策略來(lái)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(tuán)隊(duì)基于對(duì)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(fù)載型催化劑不同，他們?cè)诩{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(tuán)簇，并命名為"納米島"。

在催化反應(yīng)中，納米島對(duì)顆粒的錨定作用更強(qiáng)時(shí)，顆粒的遷移燒結(jié)傾向會(huì)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(wú)法"跨島"遷移。因此，納米島結(jié)構(gòu)催化劑能夠同時(shí)截?cái)鄡煞N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(tuán)隊(duì)首先通過(guò)高溫受控團(tuán)聚的方法，在氧化物與載體之間建立了強(qiáng)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(shí)現(xiàn)了金屬顆粒在納米島上的精準(zhǔn)定位。為此，研究團(tuán)隊(duì)巧妙地引入了電性匹配原理，通過(guò)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(shí)結(jié)合溶劑的蒸發(fā)過(guò)程，促進(jìn)了金屬離子向納米島周?chē)患?。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(shí)現(xiàn)對(duì)常見(jiàn)載體、氧化物納米島以及金屬活性位點(diǎn)的系統(tǒng)化研究，研究團(tuán)隊(duì)建立了涵蓋多達(dá)270種可定制化結(jié)構(gòu)組合的納米島催化劑材料庫(kù)。其中，氧化硅負(fù)載的氧化鑭納米島對(duì)釕納米顆粒的穩(wěn)定效果尤為顯著。經(jīng)過(guò)800攝氏度氫氣處理上百小時(shí)，單一氧化物載體負(fù)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(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中的巨大潛力而倍受關(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)了單程400小時(shí)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化，成功應(yīng)對(duì)了高溫和還原性氣氛導(dǎo)致的催化劑失活問(wèn)題。值得注意的是，在納米島上穩(wěn)定的1.4納米級(jí)的釕納米顆粒始終未發(fā)生移動(dòng)，再次證明了納米島結(jié)構(gòu)在抗燒結(jié)催化劑開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵作用。

“我們開(kāi)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(duì)各類(lèi)材料體系具有普遍的重要意義。”審稿專(zhuān)家如是評(píng)價(jià)。記者 汪喬