近日，中科院大連化物所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室理論催化課題組李微雪研究員與博士研究生歐陽(yáng)潤(rùn)海在反應(yīng)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(jìn)展，研究成果以全文在線發(fā)表在Journal of the American Chemical （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(xué)上傾向于聚集和燒結(jié)。在實(shí)際反應(yīng)條件下，催化劑的聚集和燒結(jié)可能會(huì)被進(jìn)一步顯著加快，并最終導(dǎo)致催化劑失活。因此如何提高反應(yīng)條件下催化劑的穩(wěn)定性、抑制催化劑的燒結(jié)，并且高效地實(shí)現(xiàn)燒結(jié)催化劑的分解與再生，是多相催化劑工業(yè)化過(guò)程中長(zhǎng)期以來(lái)所面臨的重大課題。

    反應(yīng)條件下催化劑的穩(wěn)定性和燒結(jié)，不僅僅依賴(lài)于催化劑和載體的相互作用，還具體的依賴(lài)于催化劑組分、催化反應(yīng)所涉及的分子和反應(yīng)歷程。催化劑的擔(dān)載量、尺寸、分布、形貌、反應(yīng)的溫度和壓力，也會(huì)顯著地影響著催化劑的穩(wěn)定性和燒結(jié)行為。燒結(jié)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(fù)雜因素的交織也使得催化劑制備、載體的選擇和反應(yīng)條件的優(yōu)化設(shè)計(jì)變得極具挑戰(zhàn)性。目前主要依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，缺乏有效、統(tǒng)一的微觀理論指導(dǎo)。

    理論催化課題組在全面考慮上述眾多因素的基礎(chǔ)上，以催化劑失活中經(jīng)典的Ostwald熟化過(guò)程為對(duì)象，首次從微觀上建立了描述實(shí)際反應(yīng)條件下催化劑燒結(jié)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(kuò)散、相應(yīng)的催化劑燒結(jié)動(dòng)力學(xué)方程。從理論上確定了影響催化劑燒結(jié)動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵因素，推導(dǎo)出反應(yīng)物促進(jìn)催化劑熟化、誘導(dǎo)催化劑分解的熱力學(xué)判據(jù)。在此基礎(chǔ)上提出如何通過(guò)優(yōu)化載體、反應(yīng)條件、控制催化劑的尺寸和分布來(lái)抑制催化劑的燒結(jié)，以及如何選擇載氣實(shí)現(xiàn)催化劑再生的一般性策略。該工作以一氧化碳?xì)夥障仑?fù)載型銠納米催化劑的熟化和分解為例展開(kāi)詳盡分析，計(jì)算所得的結(jié)果在很寬反應(yīng)溫度、壓力和催化劑尺寸范圍內(nèi)都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，證實(shí)了理論方法的正確性和實(shí)用性。該理論的一個(gè)顯著特點(diǎn)是：理論所需的大部分參數(shù)都能夠由第一性原理計(jì)算得到，借此可以通過(guò)數(shù)值模擬方便、快捷的進(jìn)行催化劑燒結(jié)動(dòng)力學(xué)和穩(wěn)定性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，相關(guān)的理論研究工作正在進(jìn)行中。

    該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和科技部973項(xiàng)目的資助，科學(xué)計(jì)算在天津國(guó)家超級(jí)計(jì)算中心“天河一號(hào)”上完成。