中科大今日Science提出金属纳米催化剂抗烧结的稳定性理论

第一作者：胡素磊

通讯作者：李微雪

通讯单位：中国科学技术大学

【研究亮点】

作者通过将大数据与第一性原理计算结合，提出了金属纳米催化剂中金属-载体相互作用的Sabatier原理，用于筛选稳定的抗烧结金属纳米催化剂。

【主要内容】

在各种纳米技术中，纳米材料的稳定性是最核心的问题。异质金属纳米催化剂的稳定性尤为关键，以满足能源和环境要求。由热或化学反应引起的较小金属纳米颗粒烧结成较大纳米颗粒而导致原子利用率下降的不稳定性严重降低了生产率，延缓了高活性纳米催化剂的实验室到制造厂的转化。设计除了具有高活性和选择性外，同时具有足够耐热性和操作寿命的纳米催化剂，对于纳米科学领域具有重要的经济和科学价值。金属纳米颗粒的烧结通常通过金属原子和金属-反应物复合物的形成和扩散（Ostwald熟化）或通过载体上颗粒迁移和聚结进行。同时烧结动力学与金属纳米催化剂中金属与载体的相互作用关系之间仍存在很多问题，从而对载体的筛选和优化提出巨大挑战，导致需要进行实验成本高且耗时的催化剂寿命试错实验。

鉴于此，中科大李微雪教授团队提出了金属纳米催化剂抗烧结的稳定性理论，用于设计和筛选稳定的抗烧结金属纳米催化剂。作者报告了金属与载体的相互作用关系的Sabatier原理，基于粒子粘附能和原子与载体结合能之间的线性缩放关系，可用于研究金属颗粒的烧结稳定性。本文使用了1252种能量数据对10种过渡金属和91种载体（总共323对金属-载体）进行了烧结动力学模拟，并揭示了烧结动力学对金属与载体的相互作用的火山型依赖性。研究人员发现与均匀支撑上的最高稳定性相对应的最佳金属与载体的相互作用应该既不太强也不太弱。相互作用太强会触发快速Ostwald熟化，而相互作用太弱会刺激颗粒迁移和聚结，这两者都严重恶化了稳定性。对于具有最佳相互作用的金属纳米颗粒，烧结起始温度约为纳米颗粒的块状金属熔化温度的一半。文中所揭示的Sabatier原理使异能载体的高通量筛选能够打破缩放关系并提高所支撑金属纳米颗粒的烧结阻力。基于第一性原理计算和可用实验数据的分子动力学模拟证实的本理论为超稳定抗烧结金属纳米催化剂的设计提供了重要参考依据。

Fig. 1 | Sintering mechanism and scaling relations for the energetics.

Fig. 2 | Volcanic curves of the stability of NPs as a function of metal-support interaction (MSI).

Fig. 3 | Volcanic curves of supported Au NPs and MD simulations.

Fig. 4 | Screening of heteroenergetic supports beyond the volcanic curves.

【文献信息】

Sulei Hu, Weixue Li. Sabatier principle of metal-support interaction for design of ultrastable metal nanocatalysts. Science 2021. 

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi9828