我国学者在纳米催化剂抗烧结稳定性理论研究方面取得进展

　　

图1 纳米催化剂抗烧结Sabatier原理以及双功能载体的高通量筛选

　　在国家自然科学基金项目（批准号：91945302、21903077）等资助下，中国科学技术大学李微雪教授团队经过八年攻关，提出并建立界面作用调控纳米催化剂生长动力学的一般性理论和双功能载体高通量筛选策略，为理性设计和筛选稳定的抗烧结纳米催化剂提供了参考。研究成果以“金属—载体相互作用的Sabatier原理以促进超稳定纳米催化剂的设计（Sabatier principle of metal–support interaction for design of ultrastable metal nanocatalysts）”为题，于2021年11月5日在线发表在《科学》（Science）杂志上。论文链接：http://www.science.org/doi/10.1126/science.abi9828。

　　设计研发高活性、高选择性、高稳定性的催化剂，对于提高催化反应效率、节能降耗并对我国实现双碳目标具有重要意义。其中，纳米催化剂因其高的原子利用率和量子效应的存在，长期以来受到广泛关注并取得了巨大进展。然而，包括纳米材料在内的催化剂稳定性问题正成为催化剂面向产业化以实现高效化工生产过程中的主要瓶颈之一。目前，纳米催化剂稳定性研究仍缺乏一般性原理和基础理论指导，导致催化剂寿命试错实验成本高且耗时，极大制约了高效纳米催化剂的工业化进程。

　　面对此涉及复杂物理化学过程的难题，李微雪教授团队在数据驱动分析的基础上，以热致或化学诱导纳米催化剂烧结生长动力学作为着眼点，深入探索控制纳米材料生长的基本原理，以理论计算的研究方法来分析金属纳米催化剂中金属与载体的相互作用关系，以原子吸附能、纳米粒子粘附能为标度，从理论层面建立起相互作用与稳定性之间的关系，即金属纳米催化剂与载体的相互作用既不能太强，否则会导致以奥斯特瓦尔德熟化的方式失活；也不能太弱，否则会导致以粒子迁移与碰撞的机制失活；只有相互作用适中时，金属纳米催化剂的稳定性达到最优。这些理论结果被基于第一性原理神经网络势函数大规模分子动力学模拟和大量已发表实验数据证实(图)。在此基础上，进一步提出并发展了利用双功能载体打破标度关系限制的高通量筛选策略，为改进纳米催化剂的抗烧结稳定性提供了理论研究方法。