浙工大青年女科学家让原子“重新归队”，为催化剂“逆天续命”
催化剂是工业的“维生素”，85%以上的化工生产都需要催化剂的“协助”。 其中，工业上使用比例最高的是多相催化剂，约占80%。 然而，多相催化剂始终面临着高温烧结或浸失导致的失活问题，因此延长其寿命是催化领域的重大科学问题。
浙江工业大学化工学院青年女科学家林丽丽教授巧妙地让原子自发排列，实现了催化剂高温反向烧结的重大突破，成功解决了多催化剂的“失活”问题。相催化剂烧结。
高温“失活”
负载型金属催化剂是最常见的多相催化剂。 它们具有优异的催化活性和选择性，并且易于回收和再生。 它们广泛应用于化学品、清洁能源和医药的工业生产，以及污染物消除和光催化反应。 等待。
然而，金属颗粒在高温或反应过程中是动态变化和移动的，并且在动态变化过程中很容易聚集和生长。 这种现象可以用18世纪末德国物理化学家威廉·奥斯特瓦尔德发现的成熟现象——“奥斯特瓦尔德成熟”来解释。 高度分散的金属颗粒经历“奥斯特瓦尔德熟化”并迁移并合并进行高温烧结，导致金属表面积损失和活性丧失。 这是工业催化剂失活的主要原因之一。
分散和恢复烧结和团聚的催化剂负载金属的活性是一个逆热力学过程，通常需要高成本和复杂的加工程序。 科学家们从未停止过探索如何解决催化剂烧结失活问题并延长其寿命。
遇到“强”就散
20世纪70年代，埃克森美孚公司Toust等人提出了“金属-载体强相互作用（SMSI）”。
“这是多相催化中的一个重要概念。SMSI可以调节载体表面金属颗粒的分布和电子性质，从而影响催化行为。” 林丽丽说，“SMSI效应还可以增加载体表面金属颗粒的迁移能垒，在一定程度上抑制金属在高温下的烧结。”
这一原理已被科学家广泛应用于不同的负载型金属催化剂中，但挑战仍然存在。 “SMSI效应只能增强金属颗粒的动态稳定性。一旦温度升高提供的能量超过金属原子之间形成的颗粒的能垒，仍然会发生烧结失活。” 林丽丽说道。
2018年，清华大学李亚东院士团队发现氮掺杂碳是一种载体材料，可以在高温下将贵金属纳米颗粒转化为单个原子，实现金属颗粒逆热力学自发分散。 这项工作为抗烧结催化剂的开发提供了新的维度。
在万千人群中寻找“合适”的载体
研究的关键是开发一种新型“载体”，其与金属催化剂的相互作用强于金属原子本身之间的相互作用。
林丽丽教授多年来深耕碳化钼负载型催化剂领域。 她开发了原子分散的铂-α碳化钼和镍-α碳化钼催化剂，实现了低温甲醇重整（JACS）高效制氢和硝基化合物的低温耐一氧化碳性。 中毒、选择性加氢（）等重要反应，取得了一系列突破性创新。
在研究过程中，她发现立方相碳化钼表现出很强的SMSI效应，显着稳定单原子级分散的金属中心，并能诱导界面电荷转移，影响金属中心的催化性能。
这让林丽丽看到了一种新载流子的“影子”：氮化钼和碳化钼具有相似的晶格结构和电子特性。 那么，能否以氮化钼为载体构建更适合原位研究的模型催化剂呢？ ，加强碳化钼、氮化钼等功能载体与负载金属之间的相互作用？
成功！实验完美呈现“降维”改造
氮化钼究竟如何与支撑金属相互作用？ 要给出这个答案，需要一套严格的科学理论模型计算和实验手段来验证。
基于理论计算和动力学模拟，林丽丽发现，在镍和氮化钼的强烈相互作用下，3D金属镍颗粒可以在还原的氮化钼表面自发分散成2D片状结构。
然而，氧钝化后，氮化钼载体和可还原氧化物-氧化铈载体上的金属镍颗粒无法进行反向烧结，颗粒仍然以3D结构存在。
“这一结果表明，金属镍和氮化钼材料之间的SMSI效应是驱动反向烧结现象的关键因素，”林丽丽解释道，“理论计算表明，当金属颗粒负载在氮化钼上时，存在反向烧结的可能性。”
分子动力学模拟表明金属镍
颗粒可以自发地分散在还原氮化钼表面
最重要的是进行实验来证明这一点。 林丽丽首先采用液相法制备了均匀分散的直径为4纳米的镍纳米粒子，然后制成了4纳米镍/碳化钼模型催化剂。 然后，她使用原位 X 射线光谱和二次电子显微镜来表征 4 纳米镍纳米颗粒。 实时监测氮化钼载体上颗粒的分散行为。
实验结果正如林丽丽所预料的那样。 在高温扰动下，镍纳米颗粒在氮化钼表面自发地逐渐从3D结构转变为2D薄层颗粒。 也就是说，氮化钼在抑制金属高温烧结的同时，也能撕裂、扩散、渗透金属颗粒，实现反向烧结。
环境二次电子扫描透射电子显微镜
监测金属镍颗粒在氮化钼上的再分散过程
不仅如此，基于实验结果，林丽丽发现反向烧结过程的发生不仅改变了金属的几何结构，还调制了负载金属镍的电子性能，改变了金属的“偏好”二氧化碳加氢中的镍。 由于传统的负载型金属镍催化剂以产物甲烷的生成为主，分布在氮化钼上的二维薄层的金属镍催化剂已经完全丧失了生成甲烷的性能。 实现了高稳定性和高选择性。 将二氧化碳直接转化为一氧化碳。 这一成果发表在最新一期的国际顶级期刊《》上。
“虽然关于载流子对负载金属的功能化效应的研究很多，但载流子与负载金属之间的相互作用强于金属内部晶格相互作用的功能载体还比较少见。这项研究进一步扩大了范围这类热力学稳定的负载金属的研究为后续催化剂的开发和应用提供了可行的思路和新的方向。”
上述研究工作得到国家自然科学基金项目（编号：）和中国科协青年拔尖人才推进项目（编号：）的资助。