中外学者合作设计出一种“纳米岛”型催化剂

中新社合肥10月27日电 (记者 吴兰)人类的生产、生活离不开化学反应。通过催化剂与反应物的作用，能改变化学反应的速率。近日，中外学者联手设计出一种“纳米岛”型催化剂，为解决催化剂活性和稳定性的矛盾提供了新思路。

10月26日，中国科学技术大学曾杰课题组、华盛顿州立大学Yong Wang课题组、加利福尼亚大学戴维斯分校Bruce C. Gates课题组和亚利桑那州立大学刘景月课题组合作，在国际著名学术期刊《自然》(Nature)上发表了该研究成果文章。

据介绍，在化学的多相催化中，高度分散的金属原子或因高表面能而移动团聚，稳定性差；或因与载体作用过强而固定不动，导致活性位点钝化。因此，如何获取“动而不聚”的金属活性位点，打破催化剂活性和稳定性的对立矛盾，一直是催化领域悬而未解的难题之一。

鉴于此，研究人员设计出一种“纳米岛”型催化剂。“我们将金属原子隔离在孤立的‘岛’上。在一定的高温氧化或还原情况下，这些金属原子可以在各自的‘岛’内移动，但跨‘岛’的迁移将会受到抑制，进而实现原子的动态稳定。”论文第一作者、中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心特任副研究员李旭解释道，实现这一目标需要“三步走”。

第一步，需要选取恰当的材料分别用作“纳米岛”和载体。研究人员在设计的模型催化剂中选取和金属作用强的氧化物作为“岛”(例如氧化铈)，作用弱的氧化物作为支撑“岛”的载体。

第二步，“岛”需要有足够高的密度和足够小的尺寸。研究人员开发出一种液相静电吸附的合成方法，将高密度的铈原子附着在氧化硅表面，随后使其自下而上受控团聚于仅2纳米的孤立“岛”。

第三步，如何将金属原子准确地放置在“纳米岛”上？这也是一大难点。为此，研究人员突破诸多难点，实现平均每个“岛”上不超过一个铂原子的目标。

稳定性研究表明，氧化铈“纳米岛”上的铂原子可以抵抗高达600摄氏度的空气煅烧。特别地，铂原子在高温下实现了活性位点的“动而不聚”，且催化速率提高了近百倍。

据介绍，这一工作为突破催化剂活性和稳定性的矛盾提供了新的解决思路。未来，有望将该“纳米岛”类型催化剂应用于不同的催化反应。

论文通讯作者、中国科学技术大学教授曾杰表示：“下一步，将继续凝练实验结果，选择合适的金属活性原子、‘纳米岛’和载体种类，丰富‘纳米岛’型催化剂类型，从而在更多重要催化反应过程中突破现有催化剂性能。”(完) 【编辑:田博群】

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