負(fù)載型金屬納米顆粒的燒結(jié)是材料與催化科學(xué)中的普遍現(xiàn)象，也是化工過(guò)程中催化劑失活的主要誘因。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，這一燒結(jié)行為主要通過(guò)基底傳質(zhì)介導(dǎo)的兩種經(jīng)典機(jī)制進(jìn)行——奧斯特瓦爾德熟化（OR）或顆粒遷移融合（PMC）。盡管借助環(huán)境透射電鏡等原位表征技術(shù)，科研人員已在低壓條件（≤1 bar）下驗(yàn)證了上述燒結(jié)機(jī)制，但在工業(yè)催化普遍存在的高溫高壓極端工況中，其動(dòng)態(tài)演化機(jī)制仍不明確。因此，深入探究苛刻工況下催化劑的原子尺度動(dòng)態(tài)行為和燒結(jié)機(jī)制，對(duì)工業(yè)催化的抗燒結(jié)策略開發(fā)具有重要意義。
中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院研究員高嶷團(tuán)隊(duì)采用此前發(fā)展的反應(yīng)環(huán)境動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛（EKMC）模擬方法，結(jié)合密度泛函理論（DFT），系統(tǒng)研究了銳鈦礦型二氧化鈦（TiO2（101））負(fù)載金（Au）納米顆粒在高溫、一氧化碳（CO）高壓環(huán)境中的原子級(jí)重構(gòu)機(jī)理，并提出顆粒跳躍融合（PHC）這一新的燒結(jié)機(jī)制。
基于EKMC模擬方法，該研究發(fā)現(xiàn)：在高CO壓強(qiáng)、高溫條件下，Au納米顆粒會(huì)脫離銳鈦礦型TiO2（101）載體，發(fā)生“空中跳躍”，進(jìn)而通過(guò)空中傳質(zhì)實(shí)現(xiàn)顆粒融合。完成空中融合的浮動(dòng)顆粒在超越臨界尺寸時(shí)，會(huì)重新沉積到載體表面。該現(xiàn)象源于高CO化學(xué)勢(shì)環(huán)境下，小尺寸金顆粒的界面原子與CO的強(qiáng)相互作用，其作用力超過(guò)了顆粒-基底結(jié)合能。
該發(fā)現(xiàn)不僅揭示了催化劑工況下燒結(jié)的新路徑，還暗示在反應(yīng)過(guò)程中納米顆粒的燒結(jié)失活和載體間的催化劑遷移可能比預(yù)期更為頻繁。研究工作為理解極端工況下催化劑的熱失活提供了新視角，并為跨尺度時(shí)空耦合的納米體系模擬建立了研究方法框架。
相關(guān)研究成果以Particle Hopping and Coalescence of Supported Au Nanoparticles in Harsh Reactive Environments為題，發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（JACS）上。
研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)、上海超算中心的支持。
論文鏈接
研究建立的EKMC模擬方法流程圖
PHC燒結(jié)機(jī)制簡(jiǎn)述圖
本文鏈接：催化劑燒結(jié)機(jī)制研究取得進(jìn)展http://www.sq15.cn/show-12-1086-0.html
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