催化反應作為現代工業的基石，在能源轉化、化工生產、環境保護等領域發揮著關鍵作用。穩定性是工業生產中催化劑的核心指標，高度穩定的催化結構有力支撐了工業裝置長周期運行。
近日，中國科學技術大學教授曾杰課題組創制了一種新型結構的催化劑，破解了負載型催化劑燒結難題。3月10日，相關成果發表于《自然-材料》。
曾杰介紹：“我們在催化劑載體和金屬納米顆粒之間構筑了一種小尺寸、互不相連的氧化物團簇，其結構就像海洋中散落的小島，因此被命名為‘納米島’。在催化反應過程中，大量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法燒結。”
新型納米島結構催化劑破解超細金屬納米顆粒燒結難題示意圖。課題組供圖
超細金屬納米顆粒的燒結難題
在諸多催化反應中，超細金屬納米顆粒因其超大的暴露面和超高的原子利用率而備受青睞。研究人員常常將其分散在具有錨定作用的載體上，構成負載型催化劑。
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雜的化學氣氛影響，從而自發聚集并導致催化活性降低，該過程被稱為催化劑的燒結。
負載型催化劑的燒結路徑取決于載體對金屬納米顆粒的錨定作用。當錨定作用較弱時，顆粒會在載體表面隨機遷移，與其他納米顆粒發生碰撞，最后聚集變大。當錨定作用過強時，金屬原子會從納米顆粒表面崩解，像潰散的士兵重組般融入附近的納米顆粒。最終同樣形成大尺寸顆粒，導致催化活性斷崖式下降。
因此，面對條件極端苛刻的催化反應，如何通過發展新型超細金屬納米顆粒抗燒結策略提升催化劑的穩定性，是催化科學和材料科學領域亟待解決的關鍵難題。
納米島同時“截斷”燒結路徑
此次研究中，曾杰團隊基于對燒結路徑的深入理解，創制了一種新型納米島結構催化劑。區別于常規的負載型催化劑，團隊成員在納米顆粒和載體之間嵌入小尺寸并且分布均勻的金屬氧化物團簇，并以其互不相連的特征將其命名為“納米島”。
在催化反應中，相比于載體，如果納米島對顆粒的錨定作用更強，則顆粒接觸載體并進行整體遷移的燒結傾向被抑制。此外，納米島之間都是互不相連的，決定了崩解的金屬原子無法“跨島”遷移。因此，納米島結構催化劑可以同時截斷兩種燒結路徑，有望顯著提升其抗燒結性能。
為了構筑納米島結構催化劑，團隊成員首先在氧化物與載體間構建強吸附作用，通過高溫受控團聚獲得小尺寸、高密度的氧化物納米島。與常規的多組分催化劑相比，納米島結構催化劑研制的創新之處在于實現金屬顆粒在納米島上的精準落位。為此，團隊成員巧妙地引入電性匹配原理，利用載體與納米島間的電性差異窗口構建定向吸附作用，使金屬離子優先落于納米島上；結合溶劑蒸發，驅動金屬離子向納米島周圍富集。經過高溫氫氣處理，還原得到被錨定在納米島上的超細金屬納米顆粒。
建立納米島結構催化劑材料庫
針對常見的載體、氧化物納米島以及金屬活性位點，團隊成員系統性地發展了納米島催化劑的材料庫，涵蓋多達270種可定制化的結構組合。其中，氧化硅負載的氧化鑭納米島對釕納米顆粒的穩定效果尤為顯著：經過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燒結至70納米；相比之下，納米島穩定的超細釕納米顆粒尺寸僅為1.4納米。
為了驗證極端苛刻反應條件下納米島結構催化劑的抗燒結性能，團隊成員將該催化劑用于甲烷干重整反應。此反應因其在溫室氣體資源化利用方面的巨大潛力而備受關注。
實驗結果表明，納米島結構催化劑在高氣體流速下實現單程400小時的穩定轉化，完美應對了因反應高溫、還原性氣氛導致的催化劑失活困局。值得一提的是，反應后1.4納米的超細釕納米顆粒在納米島上巋然不動，再次證明納米島結構在抗燒結催化劑關鍵場合的巨大應用潛力。
“本工作發展了一種非常有效且巧妙的抗燒結催化劑制備策略，對各類材料體系具有普遍的重要意義。”審稿專家如是評價。
“通過定制活性金屬和載體，這一工作有望為多種催化反應中活性位點的燒結問題提供切實可行的解決方案。”曾杰介紹,“下一步團隊將探索納米島結構催化劑在更多工業催化場景，如二氧化碳轉化中的應用，并進一步優化合成方法，實現規模化制備。”
相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02134-9
本文鏈接：“一島”鎖“千軍” 攻克催化劑燒結難題http://m.lensthegame.com/show-11-18395-0.html
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