近日，中国科学技术大学曾杰教授团队在抗烧结催化剂研究领域取得了重大进展，成功攻克了甲烷干重整反应中催化剂极易烧结失活的难题。这一成果不仅为催化科学领域带来了新的突破，更为工业催化技术的发展提供了新的思路和方向。
研究背景：烧结难题困扰催化领域在多相催化领域，超细金属纳米颗粒因其极高的原子利用率而备受关注。然而，这些纳米颗粒在催化反应过程中极易受到高温等因素的影响，从而自发聚集，导致活性降低，这一过程被称为烧结。烧结问题一直是催化科学领域亟待解决的关键难题，尤其在高温、还原性气氛等苛刻条件下更为突出。烧结不仅会导致催化剂活性下降，还会增加工业生产中的成本和能耗，严重影响催化反应的效率和经济性。
研究成果：纳米岛结构的创新设计曾杰教授团队通过深入研究烧结路径，创制了一种新型的纳米岛结构催化剂。该催化剂的核心在于在载体与金属颗粒之间嵌入了一种小尺寸、互不相连的金属氧化物团簇，因其岛状结构被命名为“纳米岛”。这种结构的设计巧妙地切断了两种主要的烧结路径：一是金属颗粒的整体迁移烧结，二是从颗粒表面脱离的金属原子的跨岛迁移。纳米岛结构催化剂的设计灵感来源于对烧结机制的深入理解。研究人员发现，金属颗粒在高温下容易发生迁移和聚集，而通过在载体与金属颗粒之间引入纳米岛，可以显著增强金属颗粒的锚定效果。纳米岛对金属颗粒的锚定作用比载体更强，使得颗粒无法整体迁移烧结。此外，纳米岛之间互不相连，从颗粒表面脱离的金属原子也难以跨岛迁移。通过同时切断这两种烧结路径，纳米岛结构显著提升了催化剂的抗烧结性能。
实验验证：卓越的抗烧结性能为了验证纳米岛结构催化剂的抗烧结性能，团队将其应用于甲烷干重整反应。这一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。实验结果显示，该催化剂能够在高气体流速下实现单程400小时的稳定转化，且反应后1.4纳米的超细钌纳米颗粒在纳米岛上保持稳定，未发生烧结。这一结果表明，纳米岛结构催化剂在高温、还原性气氛等苛刻条件下表现出卓越的抗烧结性能，完美应对了因高温等因素导致的失活困局。
材料库的构建：广泛的应用前景曾杰团队还系统性地发展了纳米岛催化剂的材料库，涵盖了多达270种可定制化的结构组合。其中，二氧化硅负载的氧化镧纳米岛对钌纳米颗粒的稳定效果尤为突出。这种材料库的构建为未来多种催化反应中烧结失活问题的解决提供了广泛的可能性。通过定制活性金属和载体，纳米岛结构催化剂有望为多种高温、苛刻条件下的催化反应提供切实可行的解决方案，进一步推动催化科学和材料科学的发展。
意义与展望：推动催化技术的革命性进展中国科学技术大学曾杰教授团队的这一研究成果不仅为解决负载型催化剂烧结这一全球性难题提供了新的思路，还为工业催化领域带来了革命性的进展。纳米岛结构催化剂的成功开发，有望在多种高温、苛刻条件下的催化反应中得到广泛应用，进一步推动催化科学和材料科学的发展。这一成果的发表，标志着我国在催化领域的研究水平达到了国际领先水平，为我国在相关领域的技术创新和产业升级提供了有力支撑。
未来，随着纳米岛结构催化剂的进一步研究和应用，我们有理由相信，这一创新技术将在更多领域发挥重要作用，为解决全球性的能源和环境问题提供新的解决方案。
