催化劑是工業(yè)“維生素”，約有85%以上的化學(xué)品生產(chǎn)都需要催化劑“輔助”。其中多相催化劑在目前工業(yè)中使用比例最高，占80%左右。但多相催化劑始終面臨因高溫?zé)Y(jié)或浸出流失而導(dǎo)致的失活問題，因此延長其壽命是催化領(lǐng)域的重大科學(xué)問題。

浙工大化工學(xué)院青年女科學(xué)家林麗利教授巧手讓原子自發(fā)排布，實現(xiàn)了催化劑高溫逆燒結(jié)的重大突破，成功解決了多相催化劑燒結(jié)“失活”難題。

高溫“失活”

負載型金屬催化劑是最常見的一種多相催化劑，具有優(yōu)異的催化活性和選擇性，且易回收再生，被廣泛應(yīng)用于化學(xué)品、清潔能源和藥物的工業(yè)生產(chǎn)，以及污染物消除和光催化反應(yīng)等。

但金屬粒子在高溫或反應(yīng)過程中是動態(tài)變化且具有移動性，在動態(tài)變化過程中很容易聚集長大。這種現(xiàn)象可以用18世紀(jì)末德國籍物理化學(xué)家威廉·奧斯特瓦爾德發(fā)現(xiàn)的熟化現(xiàn)象——“奧斯特瓦爾德熟化”加以解釋。高度分散的金屬微粒經(jīng)過“奧斯特瓦爾德熟化”以及遷移?合并發(fā)生高溫?zé)Y(jié)，導(dǎo)致金屬表面積的損失從而失去活性，是目前工業(yè)催化劑失活的主要成因之一。

將燒結(jié)團聚的催化劑負載金屬再次分散恢復(fù)活性是逆熱力學(xué)過程，往往需要花費高昂的成本和復(fù)雜的處理流程。如何破解催化劑燒結(jié)失活難題，延長壽命，科學(xué)家們從未停止探索。

遇“強”則散

上世紀(jì)70年代，美國?？松梨诠咎账固兀═auster）等提出了“金屬-載體強相互作用（SMSI）”。

 “這是多相催化中的一個重要概念，SMSI能夠調(diào)控金屬粒子在載體表面的分布和電子性質(zhì)，進而影響催化行為?！绷蛀惱f，“SMSI效應(yīng)還可以提高金屬顆粒在載體表面的遷移能壘，在一定程度上抑制高溫下的金屬燒結(jié)。”

這一原理被科學(xué)家們廣泛應(yīng)用到不同的負載型金屬催化劑中，但挑戰(zhàn)仍然存在?！癝MSI效應(yīng)僅能加強金屬粒子的動力學(xué)穩(wěn)定性，一旦溫度升高提供的能量超出金屬原子之間形成粒子的能量勢壘，燒結(jié)失活還是會發(fā)生?！绷蛀惱f。

2018年，清華大學(xué)李亞棟院士團隊發(fā)現(xiàn)氮摻雜碳是一種可以在高溫下將貴金屬納米顆粒轉(zhuǎn)化成單原子的載體材料，可實現(xiàn)金屬粒子逆熱力學(xué)的自發(fā)分散。這一工作為抗燒結(jié)催化劑的開發(fā)提供了全新維度。

千萬中覓尋“對”的載體

研究的關(guān)鍵就是開發(fā)出一種新型“載體”，這種載體和金屬催化劑的相互作用要強于金屬原子自身之間的相互作用。

林麗利教授在碳化鉬負載催化劑領(lǐng)域深耕多年，先后開發(fā)了原子級分散的鉑-阿爾法碳化鉬、鎳-阿爾法碳化鉬催化劑，實現(xiàn)了低溫甲醇重整高效制氫（Nature JACS）和硝基化合物低溫抗一氧化碳中毒、選擇性加氫（Nature Nanotechnology）等重要反應(yīng)，取得了系列突破性創(chuàng)新成果。

研究中，她發(fā)現(xiàn)立方相碳化鉬表現(xiàn)出了極強的SMSI作用，顯著地穩(wěn)定了單原子級分散的金屬中心，并可以誘導(dǎo)界面電荷轉(zhuǎn)移，影響金屬中心的催化性能。

這讓林麗利看到了一種新載體的“影子”：氮化鉬和碳化鉬具有相近的晶格結(jié)構(gòu)和電子性能，那是否可以用氮化鉬為載體，構(gòu)造更為適合原位研究的模型催化劑，以強化碳化鉬，氮化鉬等功能載體與負載金屬的相互作用呢？

成功！實驗完美呈現(xiàn)“降維”變身

氮化鉬與負載金屬的相互作用究竟如何？要給出這個答案，需要一套嚴(yán)密的科學(xué)理論建模計算和實驗手段進行驗證。

根據(jù)理論計算和動力學(xué)模擬，林麗利發(fā)現(xiàn)在鎳與氮化鉬的強相互作用下，3D金屬鎳顆?？梢宰园l(fā)地在還原的氮化鉬表面分散成 2D 的片狀結(jié)構(gòu)。

但在氧鈍化后，氮化鉬載體上以及可還原性氧化物—氧化鈰載體上的金屬鎳顆粒都不能發(fā)生逆燒結(jié)現(xiàn)象，粒子仍以 3D 結(jié)構(gòu)存在。

“這個結(jié)果表明金屬鎳與氮化鉬材料之間的SMSI效應(yīng)是驅(qū)動逆燒結(jié)現(xiàn)象發(fā)生的關(guān)鍵因素，”林麗利解釋道，”理論計算論證了在氮化鉬上負載金屬粒子發(fā)生逆燒結(jié)的可能性?！?/p>