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近日，中國科大梁海偉教授課題組與李微雪教授課題組等開展實驗和理論合作研究，成功量化抑制催化劑燒結(jié)的臨界顆粒距離，在此基礎(chǔ)上提出了制備高擔(dān)載量納米催化劑的有效策略。該研究成果以“Quantification of critical particle distance for mitigating catalyst sintering”為題，發(fā)表在國際期刊Nature Communications上。

在多相催化領(lǐng)域，負(fù)載型金屬納米顆粒催化劑的燒結(jié)問題一直是研究熱點。特別是在高溫下，由于表面能隨著粒徑的減小而急劇增加，金屬納米顆粒有很強的燒結(jié)傾向。這種燒結(jié)不可避免地會導(dǎo)致活性金屬表面積的損失，從而導(dǎo)致催化劑失活。催化劑燒結(jié)的機制包括顆粒遷移和聚集(PMC)和Ostwald熟化兩種，無論通過哪種路徑，納米顆?；蛘咂渖显游锓N都需要跨越顆粒間距建立接觸才能發(fā)生。由此可見，顆粒間距在催化劑燒結(jié)中起到關(guān)鍵作用，但迄今為止沒有引起足夠的關(guān)注，并缺少相關(guān)的定量化研究。

在該項工作中，研究人員首先使用具有不同比表面積的碳載體，通過調(diào)控金屬載量構(gòu)建出不同顆粒間距的催化劑體系，并考察他們在高溫900°C下的燒結(jié)情況（圖1）。高角環(huán)形暗場透射電鏡和X射線衍射表征發(fā)現(xiàn)存在明顯的抑制金屬燒結(jié)的臨界擔(dān)載量和臨界顆粒距離?；诖耍芯咳藛T定量化出抑制催化劑燒結(jié)的臨界顆粒距離（圖2）。

圖1.定量化抑制催化劑燒結(jié)的臨界顆粒距離示意圖

圖2.臨界負(fù)載量和臨界顆粒距離分析

原位高溫球差電鏡研究發(fā)現(xiàn)，存在臨界顆粒距離的原因是顆粒距離依賴的燒結(jié)機制現(xiàn)象：在顆粒間距較小的催化劑中，顆粒相距較近，主要通過PMC機制發(fā)生燒結(jié)，并且聚集引起的粒徑分布寬化會增加不同顆粒尺寸和表面能的差異，從而加劇顆粒Ostwald熟化；而在顆粒間距較大的催化劑中，顆粒相距較遠(yuǎn)，PMC機制被很大程度上抑制，同時Ostwald熟化也會減緩（圖3）。

研究人員通過測量金屬與碳載體之間的接觸角而計算出界面粘附能，進一步計算出金屬顆粒表面化學(xué)勢；結(jié)合燒結(jié)動力學(xué)理論研究，研究人員得到顆粒在載體表面擴散的動力學(xué)關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)臨界顆粒距離取決于金屬和載體相互作用的強度（圖4）。進一步，研究人員探索了該類催化劑在高溫丙烷脫氫催化反應(yīng)中的抗燒結(jié)特性，說明了臨界顆粒距離的定量化研究對實際催化反應(yīng)的意義。

圖3.原位球差電鏡研究燒結(jié)機制

圖4.抑制金屬燒結(jié)臨界距離的理論研究

該項工作提供了一種對于給定催化劑載體預(yù)測最高擔(dān)載量的方法，并提供了一種通過調(diào)節(jié)金屬和載體相互作用以及載體比表面積來系統(tǒng)地提高抗燒結(jié)催化劑最大擔(dān)載量的有效策略。

中國科大博士研究生尹鵬和特任副研究員胡素磊為論文共同第一作者。梁海偉教授和李微雪教授為論文共同通訊作者。本項工作的合作者還包括中國科大黃偉新教授、千坤副教授，以及廈門大學(xué)熊海峰教授。該項研究得到了國家重點研發(fā)計劃基金、中科院前沿重點項目、國家自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項基金、中科院青促會、以及中科大同步輻射聯(lián)合基金的資助。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25116-2

（微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、科研部）