中国科大提出催化剂抗烧结新策略

中国科学技术大学曾杰教授团队在抗烧结催化剂的研究中取得重要进展，研究人员通过构筑“纳米岛”结构催化剂，解决了在甲烷干重整反应中催化剂极易烧结失活的问题。3月10日，相关成果以“Ultrafine metal nanoparticles isolated on oxide nano-islands as exceptional sintering-resistant catalysts”为题发表在期刊《自然∙材料》（Nature Materials）。

超细金属纳米颗粒（<3nm）因其超高的比表面积和原子利用率，在多相催化领域备受青睐。然而，在催化反应过程中，这些纳米颗粒极易受到高温和复杂的化学气氛影响，从而自发聚集并导致催化活性降低，该过程被称作催化剂的烧结。面对条件苛刻的催化反应，发展稳定超细金属纳米颗粒的抗烧结策略，是催化科学领域亟待解决的关键难题。

针对这一难题，研究人员基于对烧结路径的深入理解，创制了一种纳米岛结构催化剂。具体而言，该团队在催化剂载体与金属纳米颗粒之间嵌入一种均匀分布、小尺寸且互不相连的金属氧化物团簇，其因岛状结构被命名为“纳米岛”。相较于载体，纳米岛可实现对纳米颗粒更强的锚定作用，因此颗粒无法通过整体迁移（PMC）的路径烧结。此外，纳米岛互不相连的结构特征使得从颗粒表面脱离的金属原子难以跨岛迁移，从而抑制了Ostwald熟化（OR）。通过同时切断两种烧结路径，纳米岛结构有望显著提升超细金属纳米颗粒的抗烧结性能（图1）。

图1.纳米岛结构催化剂抗烧结示意图

为了构筑纳米岛结构催化剂，研究人员首先在氧化物与载体间构建强吸附作用，通过高温受控团聚获得小尺寸、高密度的氧化物纳米岛。与常规的多组分催化剂相比，纳米岛结构催化剂创制的精髓在于实现金属颗粒在纳米岛上的精准落位。为此，研究人员巧妙地引入电性匹配原理，利用载体与纳米岛间的电性差异窗口构建定向吸附作用，使金属离子优先落于纳米岛上；结合溶剂蒸发，驱动金属离子向纳米岛周围富集。经过高温氢气处理，还原得到被锚定在纳米岛上的超细金属纳米颗粒。基于以上思路，研究人员发展了纳米岛结构催化剂的合成库，其中涵盖了常见的催化剂载体，氧化物纳米岛以及活性金属（图2）。

图2.纳米岛结构催化剂合成库的建立

在所建立的合成库中，SiO_2负载的LaO_x纳米岛对Ru纳米颗粒的稳定效果尤为突出。为了验证极端苛刻反应条件下催化剂的抗烧结性能，研究人员将Ru/LaO_x-SiO₂催化剂应用于甲烷干重整反应。此反应因其在温室气体资源化利用方面的巨大潜力而备受关注。实验结果表明，Ru/LaO_x-SiO₂在800°C、高气体流速下，能够实现单程400小时的稳定转化，且反应后超细Ru纳米颗粒的尺寸仍维持在1.4nm，完美应对了因反应高温、还原性气氛导致的催化剂失活困局。相比之下，Ru/SiO₂催化剂则出现明显失活，并且反应后Ru纳米颗粒最大烧结至40nm。通过定制活性金属和载体，纳米岛结构催化剂有望为多种催化反应中所面临的烧结失活难题提供切实可行的解决方案。

该项研究受到国家自然科学基金委、中国科学院、科技部和中国科协等的资助。中国科学技术大学曾杰教授、严涵特任副研究员为该论文的通讯作者。博士研究生周涛，电子科技大学李旭研究员，中国科学技术大学赵建康特任副研究员为本工作的共同第一作者。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02134-9

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部）