【儀表網 研發快訊】中國科學技術大學曾杰教授團隊在抗燒結催化劑的研究中取得重要進展，研究人員通過構筑“納米島”結構催化劑，解決了在甲烷干重整反應中催化劑極易燒結失活的問題。3月10日，相關成果以“Ultrafine metal nanoparticles isolated on oxide nano-islands as exceptional sintering-resistant catalysts”為題發表在期刊《自然?材料》(Nature Materials)。
 

　　超細金屬納米顆粒(<3nm)因其超高的比表面積和原子利用率，在多相催化領域備受青睞。然而，在催化反應過程中，這些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，該過程被稱作催化劑的燒結。面對條件苛刻的催化反應，發展穩定超細金屬納米顆粒的抗燒結策略，是催化科學領域亟待解決的關鍵難題。
 

　　針對這一難題，研究人員基于對燒結路徑的深入理解，創制了一種納米島結構催化劑。具體而言，該團隊在催化劑載體與金屬納米顆粒之間嵌入一種均勻分布、小尺寸且互不相連的金屬氧化物團簇，其因島狀結構被命名為“納米島”。相較于載體，納米島可實現對納米顆粒更強的錨定作用，因此顆粒無法通過整體遷移(PMC)的路徑燒結。此外，納米島互不相連的結構特征使得從顆粒表面脫離的金屬原子難以跨島遷移，從而抑制了Ostwald熟化(OR)。通過同時切斷兩種燒結路徑，納米島結構有望顯著提升超細金屬納米顆粒的抗燒結性能(圖1)。
 

圖1.納米島結構催化劑抗燒結示意圖
 

　　為了構筑納米島結構催化劑，研究人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，納米島結構催化劑創制的精髓在于實現金屬顆粒在納米島上的精準落位。為此，研究人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。基于以上思路，研究人員發展了納米島結構催化劑的合成庫，其中涵蓋了常見的催化劑載體，氧化物納米島以及活性金屬(圖2)。
 

圖2.納米島結構催化劑合成庫的建立
 

　　在所建立的合成庫中，SiO2負載的LaOx納米島對Ru納米顆粒的穩定效果尤為突出。為了驗證極端苛刻反應條件下催化劑的抗燒結性能，研究人員將Ru/LaOx-SiO2催化劑應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，Ru/LaOx-SiO2在800°C、高氣體流速下，能夠實現單程400小時的穩定轉化，且反應后超細Ru納米顆粒的尺寸仍維持在1.4nm，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。相比之下，Ru/SiO2催化劑則出現明顯失活，并且反應后Ru納米顆粒最大燒結至40nm。通過定制活性金屬和載體，納米島結構催化劑有望為多種催化反應中所面臨的燒結失活難題提供切實可行的解決方案。
 

　　該項研究受到國家自然科學基金委、中國科學院、科技部和中國科協等的資助。中國科學技術大學曾杰教授、嚴涵特任副研究員為該論文的通訊作者。博士研究生周濤，電子科技大學李旭研究員，中國科學技術大學趙建康特任副研究員為本工作的共同第一作者。