中科大曾杰&严涵NM：极佳抗烧结性的超细纳米颗粒，800°C下运行400小时

受益于其丰富的暴露表面和增强的金属利用率，超细纳米粒子（ NPs ） 在异相催化中脱颖而出。然而，高化学势的性质赋予超细 NPs 的热力学不稳定性，导致其固有的聚集倾向。在催化反应过程中， NPs 的自发聚集导致活性位点的消除，其动力学取决于范德华引力和静电斥力之间的竞争。前者驱动粒子间距离的缩短，而后者创建能量垒以延迟 NP 附着之前的聚集，一旦突破能量垒， NPs 的碰撞会急剧降低其能量。聚集动力学受环境参数的强烈影响，在高温还原气氛下， NPs 的流动性大大增强，而能垒对聚集的阻碍则大大减弱。因此，热和化学诱导的聚集，通常称为烧结，对非均相催化剂的稳定性提出了重大挑战。

抑制 NPs 聚集主要通过调节粒子间距离和能垒来实现。为增大粒子间距离，通常采用具有高表面积的固体载体来分散 NPs ，从而减慢其接近速度。此外， NPs 与载体之间的界面黏附力降低了金属的化学势和其迁移率。另一方面，可通过包覆 NPs 表面来增加能垒。通常采用带电或空间覆盖来一定程度上阻止 NPs 之间的碰撞。然而，这些改性的超细 NPs 在极其恶劣的条件下仍然容易聚集，因为高温和还原性气氛会显著加速它们的接近和碰撞。相比之下，防止 NP 聚集的一个重要解决方案是固定粒子间距离。将金属纳米颗粒定位在具有强粘附性的纳米尺度域中，可以有效降低金属的化学势，从而有望阻碍甚至停止纳米颗粒的聚集。

中国科学技术大学曾杰教授、严涵副研究员等研究人员 通过一种隔离策略实现了极佳抗烧结性的金属纳米粒子的制备。通过精确控制合成过程中的 pH 值，氧化物纳米岛被嫁接在催化剂载体和金属纳米粒子之间，作为制备催化剂的通用方法。建立了一个合成库，使得能够通过选择合适的活性金属、纳米岛和催化剂载体来定制整体结构。在设计抗烧结催化剂方面， LaO _x 簇被确定为最有效的纳米岛。制备了极佳抗烧结性的 Ru NPs 它在 800°C 的富 CO 和 H ₂ 气氛中仍能存活下来。强的 Ru-LaO _x 粘附性使 Ru 的化学势最小化，导致 Ru NPs 先位于纳米岛上而不是 SiO ₂ 载体上。 SiO ₂ 上的 Ru 和 LaO _x 之间不可逾越的化学势差（称为 “ 势井 ” ）抑制了 Ru NPs 的进一步迁移或解离。因此，通过隔离 LaO _x 上的 Ru NPs 可以消除烧结倾向。这种出色的抗烧结性被用于催化甲烷干重整（ DRM ， CH ₄ + CO ₂ → 2CO + 2H ₂ ），通过使用隔离策略，在 SiO ₂ 负载的 LaO _x 纳米岛（ Ru/LaO _x –SiO ₂ ）上分离的超细 Ru NPs 即使在 800 °C 下催化 DRM 400 小时后仍保持 1.4 nm 的平均尺寸 。同时， LaO _x 促进 CO ₂ 活化所实现的无焦催化性能保证了高活性和选择性，优于同类产品（ Ru/SiO ₂ 和 Ru/La ₂ O ₃ ）。这种适应性隔离策略已被证明适用于各种载体上的许多其他金属，在设计用于多种催化转化的稳定催化剂方面显示出巨大的前景。

相关研究成果2025年3月10日以“ Ultrafine metal nanoparticles isolated on oxide nano-islands as exceptional sintering-resistant catalysts ”为题发表在 Nature Materials 上。

隔离策略的创新 ：创新性地在催化剂载体和金属纳米粒子之间引入氧化物纳米岛，通过静电吸引原理实现纳米岛的精确合成与固定，为金属纳米粒子提供了一个稳定的 “ 安身之所 ” ，有效避免了纳米粒子的团聚和烧结。该隔离策略具有广泛的适用性，不仅适用于多种金属（如 Ru 、 Ir 、 Pt 等），还可在不同的载体（如 SiO ₂ 、碳载体等）上实现，为催化剂的设计提供了灵活多样的选择。

合成方法的突破 ：通过精确控制合成过程中的 pH 值，实现了金属离子在载体上的强静电吸附，进而形成均匀分散的氧化物纳米岛。这种方法操作简便，易于工业化放大生产，为催化剂的大规模制备提供了可能。在合成过程中，不仅考虑了纳米岛的形成，还兼顾了金属纳米粒子的负载与分散，使二者在纳米尺度上实现了良好的协同，提高了催化剂的整体性能。