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 文｜陳根

納米金屬材料因具有眾多優異的特性，具有日益廣闊的應用前景。負載型納米金屬相對于純納米金屬材料而言，穩定性更高、更易回收利用且無毒害性，其制備和應用成為目前研究的熱點之一。

負載型金屬催化劑被廣泛應用于的化學品、清潔能源和藥物的工業生產，以及污染物消除和光催化反應等，但始終存在著因高溫燒結或浸出流失而導致的失活問題。此外，催化劑活性的再生恢復需要花費高昂的成本，將金屬從載體上浸出并重新高分散負載也十分困難。

奧斯特瓦爾德熟化（ Ostwald ripening ）和遷移?合并（ Migration?coalescence process ）是造成金屬納米顆粒的燒結團聚的兩種機理，且有可能同時發生在催化劑的團聚過程中。

應用氧化物或碳層對金屬納米顆粒進行包裹，可以抑制金屬燒結，但也會掩蔽部分活性位點導致催化劑活性降低。因此，對金屬納米顆粒燒結機制的理解，促使著研究者們不斷開發穩定金屬納米顆粒催化劑的新策略。

近日，中科大的科學家們基于323個金屬－載體對的動力學模擬，并使用1252個能量數據的標度關系，提出了金屬納米催化劑抗燒結的Sabatier原理。具體來說，科學家們首先使用具有不同比表面積的碳載體，通過調控金屬載量構建出不同顆粒間距的催化劑體系，并考察他們在高溫900°C下的燒結情況。

通過結合燒結動力學理論研究，科學家們得到了顆粒在載體表面擴散的動力學關系，并發現臨界顆粒距離取決于金屬和載體相互作用的強度。進一步，研究人員探索了該類催化劑在高溫丙烷脫氫催化反應中的抗燒結特性，說明了臨界顆粒距離的定量化研究對實際催化反應的意義。

結果表明，太強的相互作用會觸發奧斯特瓦爾德成熟，而太弱的相互作用會刺激粒子遷移和合并。通過對載體的高通量篩選，使得納米催化劑在均相載體上的燒結電阻達到塔曼溫度，而在異相載體上的燒結電阻遠遠超過塔曼溫度。

這一理論得到了第一性原理神經網絡分子動力學模擬和實驗的證實，為超穩定納米催化劑的設計奠定了基礎。