合肥光源用户在铜纳米颗粒催化剂逆转“熟化”研究中取得重大进展
时间 : 2024-02-28
90%以上的化学工业过程中都依赖于催化剂的参与，催化剂在整个反应过程中并不是静止不变的，许多负载型的纳米金属催化剂在使用一段时间后就会出现烧结，原本均匀的纳米金属粒子里会出现“个头”特别大的颗粒。金属颗粒从小到大的转化过程多遵循“奥斯特瓦尔德熟化”机理。多年来，“奥斯瓦尔德熟化”效应像是一道无法破除的“诅咒”，造成催化剂性能不可逆的损伤。烧结后的催化剂的活性位点数量锐减，致其催化性能“断崖式下跌”。为了应对这种“衰退”，工业上常用的方法是增加数倍的催化剂用量，或者暂停生产对催化剂进行再生恢复或替换，因而需要花费高昂的成本。针对以上问题，合肥光源用户浙江大学肖丰收教授与王亮研究员团队通过控制传统烧结过程中金属物种的动态结构演化路径来为铜纳米颗粒催化剂设计了一种脱铝的Beta沸石分子筛载体，在载体结构中嵌入了数量众多的“硅羟基窝”位点，并逆转了催化剂“熟化“过程。
在“熟化”过程的机理研究中，该团队借助合肥光源原子与分子物理线站（BL09U）的原位热催化反应装置（图1a），并结合同步辐射真空紫外光电离质谱（SVUV-PIMS）技术，探究了铜原子迁移过程中可能产生的中间体，如(CHO)Cu1* (m/z = 92, 94)、(CH2O)Cu1* (m/z = 93, 95)、(CH3O)Cu1* (m/z = 94, 96)等，这些结果表明在迁移过程中存在与Cu1相关的中间体。在甲醇处理过程中，这些中间体的信号强度随温度的升高而逐渐增大（图1b），这与这些中间体在较高温度下更容易形成和更快逸出有关。这些结论与化学触发金属烧结的奥斯特瓦尔德熟化过程一致。这一研究成果为耐久型催化剂的设计与开发提供了新的思路。
相关研究成果以“Dealuminated Beta zeolite reverses Ostwald ripening for durable copper nanoparticle catalysts”为题，在线发表在国际著名学术期刊《科学》上。
图1. （a）原位热催化反应装置示意图 (b) SVUV-PIMS测得的物种及随反应温度的变化趋势图
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj1962