近日，中科院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室理論催化課題組李微雪研究員與博士研究生歐陽潤海在反應條件下納米催化劑穩(wěn)定性理論研究方面工作取得最新進展，研究成果以全文在線發(fā)表在Journal of the American Chemical Society (DOI: 10.1021/ja3087054,
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja3087054 )。
納米催化劑由于尺寸較小、比表面積高，穩(wěn)定性差，在熱力學上傾向于聚集和燒結。在實際反應條件下，催化劑的聚集和燒結可能會被進一步顯著加快，并最終導致催化劑失活。因此如何提高反應條件下催化劑的穩(wěn)定性、抑制催化劑的燒結，并且高效地實現(xiàn)燒結催化劑的分解與再生，是多相催化劑工業(yè)化過程中長期以來所面臨的重大課題。
反應條件下催化劑的穩(wěn)定性和燒結，不僅僅依賴于催化劑和載體的相互作用，還具體的依賴于催化劑組分、催化反應所涉及的分子和反應歷程。催化劑的擔載量、尺寸、分布、形貌、反應的溫度和壓力，也會顯著地影響著催化劑的穩(wěn)定性和燒結行為。燒結催化劑的分解與再生，因催化劑和載體的不同而不同。這些眾多復雜因素的交織也使得催化劑制備、載體的選擇和反應條件的優(yōu)化設計變得極具挑戰(zhàn)性。目前主要依賴于經(jīng)驗的方法來實現(xiàn)，缺乏有效、統(tǒng)一的微觀理論指導。
理論催化課題組在全面考慮上述眾多因素的基礎上，以催化劑失活中經(jīng)典的Ostwald熟化過程為對象，首次從微觀上建立了描述實際反應條件下催化劑燒結和分解的一般性理論，具體包括納米催化劑的能量、熟化中間體的形成與擴散、相應的催化劑燒結動力學方程。從理論上確定了影響催化劑燒結動力學的關鍵因素，推導出反應物促進催化劑熟化、誘導催化劑分解的熱力學判據(jù)。在此基礎上提出如何通過優(yōu)化載體、反應條件、控制催化劑的尺寸和分布來抑制催化劑的燒結，以及如何選擇載氣實現(xiàn)催化劑再生的一般性策略。該工作以一氧化碳氣氛下負載型銠納米催化劑的熟化和分解為例展開詳盡分析，計算所得的結果在很寬反應溫度、壓力和催化劑尺寸范圍內(nèi)都與實驗結果相一致，證實了理論方法的正確性和實用性。該理論的一個顯著特點是：理論所需的大部分參數(shù)都能夠由第一性原理計算得到，借此可以通過數(shù)值模擬方便、快捷的進行催化劑燒結動力學和穩(wěn)定性的優(yōu)化設計，相關的理論研究工作正在進行中。
