中国科大成功量化抑制催化剂烧结的临界颗粒距离

发布者:李雪发布时间:2021-08-12浏览次数:731

在多相催化领域,负载型金属纳米颗粒催化剂的烧结问题一直是研究热点。特别是在高温下,由于表面能随着粒径的减小而急剧增加,金属纳米颗粒有很强的烧结倾向。这种烧结不可避免地会导致活性金属表面积的损失,从而导致催化剂失活。近日,中国科学技术大学梁海伟教授课题组与李微雪教授课题组以及林岳博士开展实验和理论相结合的合作研究,基于系列碳负载铂催化剂,发现扩大颗粒间距可以极大地缓解金属烧结,并定量化出抑制高温烧结的临界颗粒距离,而距离由金属和碳载体之间相互作用的强度所决定(图1)。该研究成果以“Quantification of critical particle distance for mitigating catalyst sintering”为题,发表在国际期刊Nature Communications上。

在该项工作中,研究人员首先使用具有不同比表面积的碳载体,通过调控金属载量构建出不同颗粒间距的催化剂体系,并考察他们在高温900°C下的烧结情况。高角环形暗场透射电镜(HAADF-STEM)和X射线衍射表征发现存在明显的抑制金属烧结的临界负载量和临界距离(图2)。原位球差电镜发现两种不同的颗粒间距导致的烧结现象差异是烧结机理的不同体现。在颗粒间距较小的催化剂体系中,纳米颗粒相距较近,通过迁移和聚集的PMC机制更容易发生烧结。另一方面,聚集引起的宽粒径分布可能会加剧颗粒表面能的差异,从而加剧颗粒Ostwald熟化。相反,颗粒距离的扩大可以抑制颗粒聚集烧结,同时减缓Ostwald熟化(图3)。

1.优化颗粒间距缓解烧结的示意图

2. 临界负载量和临界颗粒距离分析。

3. 原位球差电镜研究烧结机制。

4. 抑制金属烧结临界距离的理论研究。

通过理论模拟烧结动力学研究,研究人员发现临界颗粒间距显著取决于金属载体相互作用的强度,证实了最大化颗粒间距和提高金属载体相互作用可以显著提高负载金属纳米催化剂的抗烧结能力(图4)。进一步,研究人员将临界颗粒间距概念应用到高温丙烷脱氢催化反应中。实验结果表明,具有较大颗粒间距的催化剂表现出更优异的催化稳定性,相反较小颗粒间距的催化剂就出现严重的金属颗粒烧结和失活。该项工作阐述了对金属抗烧结方面的新理解,扩大颗粒间距可以大大减缓金属烧结,进而减缓催化剂的失活。该项工作为高效稳定催化剂的设计提供了一种新思路。

中科大博士研究生尹鹏和特任副研究员胡素磊为论文共同第一作者。梁海伟教授、李微雪教授、以及林岳博士为论文共同通讯作者。本项工作的合作者还包括中科大黄伟新教授、千坤副教授,以及厦门大学熊海峰教授。该项研究得到了国家重点研发计划基金、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项基金、中科院青促会、以及中国科学技术大学同步辐射联合基金的资助。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-25116-2

(微尺度物质科学国家研究中心、化学与材料科学学院、科研部)