记者从中国科学技术大学获悉，该校曾杰教授团队通过构筑纳米岛结构催化剂，攻克了甲烷干重整反应中催化剂极易烧结失活的难题。相关研究成果3月10日发表于国际学术期刊《自然 材料》。
超细金属纳米颗粒因其超高的原子利用率，在多相催化领域备受青睐。然而，在催化反应过程中，这些纳米颗粒极易受到高温等影响，从而自发聚集并导致活性降低，该过程被称作烧结。发展超细金属纳米颗粒的抗烧结策略，是催化科学领域亟待解决的关键难题。
此次研究工作中，研究人员基于对烧结路径的深入理解，创制了一种纳米岛结构催化剂。具体而言，研究人员在载体与金属颗粒之间嵌入一种均匀分布、小尺寸且互不相连的金属氧化物团簇，其因岛状结构被命名为纳米岛。相较于载体，纳米岛对金属颗粒锚定更强，因此颗粒无法整体迁移烧结。此外，纳米岛之间互不相连，从颗粒表面脱离的金属原子难以跨岛迁移。通过同时切断两种烧结路径，纳米岛结构有望显著提升催化剂的抗烧结性能。
为构筑纳米岛结构催化剂，研究人员首先在氧化物与载体间构建强吸附作用，通过高温受控团聚获得小尺寸、高密度的氧化物纳米岛。通过将电性匹配原理和溶剂蒸发结合，研究人员实现了金属在纳米岛上的精准落位。针对常见的载体、纳米岛、活性金属，研究人员发展了纳米岛结构催化剂的材料库。其中，二氧化硅负载的氧化镧纳米岛对钌纳米颗粒的稳定效果尤为突出。研究人员将该催化剂应用于甲烷干重整反应以验证其抗烧结性能。此反应因其在温室气体资源化利用方面的巨大潜力而备受关注。
实验结果表明，该催化剂能够实现单程400小时的稳定转化，且反应后钌纳米颗粒的尺寸仍维持在1.4纳米，完美应对了因高温等因素导致的失活困局。通过定制活性金属和载体，纳米岛结构催化剂有望为多种催化反应中所面临的烧结失活难题提供切实可行的解决方案。
