空间限域合成抗烧结高熵纳米颗粒库：一种通用策略及其在丙烷脱氢中的高效催化应用

研究人员针对高熵纳米颗粒(HE-NPs)在分子筛(MSs)中均匀分散与规模化制备的难题，开发了"浸渍-快速煅烧-淬火"(ICQ)的空间限域合成策略。该工作通过理论模拟揭示了液滴在限域空间中的生长动力学，成功制备出粒径1-5 nm、分布均匀的Pt基高熵氧化物(HEOs)@MSs催化剂。在丙烷脱氢(PDH)反应中展现出44.2 mol gPt-1 h-1的丙烯生成速率，较单金属催化剂提升31.6倍，为高熵材料的工业应用提供了新范式。

　　

在能源化工领域，开发高效稳定的催化剂始终是核心挑战。传统催化剂面临活性组分易烧结、贵金属用量高、高温稳定性差等瓶颈问题。高熵材料(HEMs)因其独特的"鸡尾酒效应"和构型熵稳定特性，为催化剂设计提供了新思路。然而，如何实现高熵纳米颗粒(HE-NPs)的尺寸均一化控制，并使其在分子筛(MSs)纳米孔道中稳定分散，仍是制约其实际应用的关键科学难题。

针对这一挑战，中国的研究团队在《Nature Communications》发表了突破性研究成果。通过理论模拟发现，在开放表面液态金属液滴会自发聚集（G_Total∝1/R），而在纳米孔道限域空间内则呈现独特生长动力学（G_Total∝(m-1/h)）。基于此，研究人员创新性提出ICQ（浸渍-煅烧-淬火）三步骤空间限域合成策略：首先通过初湿浸渍法将多金属盐前驱体引入分子筛孔道；随后在900℃短时（约60秒）煅烧形成液态金属液滴；最后冰水淬火"冻结"液滴形成高熵纳米颗粒。该策略成功制备出包含11种金属元素的HE-NPs@MSs材料库，粒径精确控制在1-5 nm（分布偏差±20%），单批次产量可达20克。

关键技术包括：1）采用分数步格子玻尔兹曼(FSLB)方法模拟液滴生长动力学；2）同步辐射X射线吸收谱(XAS)分析Pt配位环境；3）电子断层扫描技术三维重构纳米颗粒空间分布；4）高通量合成装置实现材料库快速构建。

研究结果部分揭示：

设计原理：理论计算表明限域空间可打破液滴生长的热力学自发聚集趋势，当液滴尺寸超过孔径时会形成"双半球+圆柱"的特殊几何构型，实现尺寸自限制生长。

合成控制：对比传统方法（粒径>50 nm），ICQ法制备的Pt-Quinary-HEOs@MCM-41呈现3.0±0.5 nm均匀分布，XRD显示面间距0.24/0.25 nm的fcc结构，原子分辨率STEM证实金属原子随机分布。

底物影响：Na⁺阻塞的NaY分子筛导致颗粒外表面聚集，而H⁺修饰的HY分子筛可实现孔道内均匀负载。

催化性能：在550℃丙烷脱氢(PDH)反应中，Pt-Quinary-HEOs@MCM-41的丙烯生成速率达44.2 mol gPt^-1 h^-1，较单金属Pt@MCM-41提升31.6倍。电子断层扫描显示反应后颗粒仍保持限域状态，XANES证实Pt以原子分散形式稳定存在。

这项研究通过空间限域合成策略，成功解决了高熵纳米颗粒的尺寸控制与抗烧结难题。其重要意义在于：1）建立了液滴限域生长的普适性理论模型；2）开发出可规模化制备的ICQ合成方法；3）为设计新一代高温抗烧结催化剂提供了范例。该工作不仅推动了高熵材料在催化领域的应用，其空间限域思想对纳米材料精准合成具有广泛借鉴价值。