催化反应作为现代工业的基石，在能源转化、化工生产、环境保护等领域发挥着关键作用。稳定性是工业生产中催化剂的核心指标，高度稳定的催化结构有力支撑了工业装置长周期运行。

近日，中国科学技术大学教授曾杰课题组创制了一种新型结构的催化剂，破解了负载型催化剂烧结难题。3月10日，相关成果发表于《自然-材料》。

曾杰介绍：“我们在催化剂载体和金属纳米颗粒之间构筑了一种小尺寸、互不相连的氧化物团簇，其结构就像海洋中散落的小岛，因此被命名为‘纳米岛’。在催化反应过程中，大量金属原子组成的纳米颗粒就像被困在海岛中的‘千军’一样，被牢牢束缚在纳米岛中无法烧结。”

新型纳米岛结构催化剂破解超细金属纳米颗粒烧结难题示意图。课题组供图

超细金属纳米颗粒的烧结难题

在诸多催化反应中，超细金属纳米颗粒因其超大的暴露面和超高的原子利用率而备受青睐。研究人员常常将其分散在具有锚定作用的载体上，构成负载型催化剂。

然而，在实际催化过程中，超细金属纳米颗粒极易受到高温和复杂的化学气氛影响，从而自发聚集并导致催化活性降低，该过程被称为催化剂的烧结。

负载型催化剂的烧结路径取决于载体对金属纳米颗粒的锚定作用。当锚定作用较弱时，颗粒会在载体表面随机迁移，与其他纳米颗粒发生碰撞，最后聚集变大。当锚定作用过强时，金属原子会从纳米颗粒表面崩解，像溃散的士兵重组般融入附近的纳米颗粒。最终同样形成大尺寸颗粒，导致催化活性断崖式下降。

因此，面对条件极端苛刻的催化反应，如何通过发展新型超细金属纳米颗粒抗烧结策略提升催化剂的稳定性，是催化科学和材料科学领域亟待解决的关键难题。

纳米岛同时“截断”烧结路径

此次研究中，曾杰团队基于对烧结路径的深入理解，创制了一种新型纳米岛结构催化剂。区别于常规的负载型催化剂，团队成员在纳米颗粒和载体之间嵌入小尺寸并且分布均匀的金属氧化物团簇，并以其互不相连的特征将其命名为“纳米岛”。

在催化反应中，相比于载体，如果纳米岛对颗粒的锚定作用更强，则颗粒接触载体并进行整体迁移的烧结倾向被抑制。此外，纳米岛之间都是互不相连的，决定了崩解的金属原子无法“跨岛”迁移。因此，纳米岛结构催化剂可以同时截断两种烧结路径，有望显著提升其抗烧结性能。

为了构筑纳米岛结构催化剂，团队成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。与常规的多组分催化剂相比，纳米岛结构催化剂研制的创新之处在于实现金属颗粒在纳米岛上的精准落位。为此，团队成员巧妙地引入电性匹配原理，利用载体与纳米岛间的电性差异窗口构建定向吸附作用，使金属离子优先落于纳米岛上；结合溶剂蒸发，驱动金属离子向纳米岛周围富集。经过高温氢气处理，还原得到被锚定在纳米岛上的超细金属纳米颗粒。

建立纳米岛结构催化剂材料库

针对常见的载体、氧化物纳米岛以及金属活性位点，团队成员系统性地发展了纳米岛催化剂的材料库，涵盖多达270种可定制化的结构组合。其中，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显著：经过800摄氏度氢气处理上百小时，单一氧化物载体负载的钌纳米颗粒烧结至70纳米；相比之下，纳米岛稳定的超细钌纳米颗粒尺寸仅为1.4纳米。

为了验证极端苛刻反应条件下纳米岛结构催化剂的抗烧结性能，团队成员将该催化剂用于甲烷干重整反应。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，纳米岛结构催化剂在高气体流速下实现单程400小时的稳定转化，完美应对了因反应高温、还原性气氛导致的催化剂失活困局。值得一提的是，反应后1.4纳米的超细钌纳米颗粒在纳米岛上岿然不动，再次证明纳米岛结构在抗烧结催化剂关键场合的巨大应用潜力。

“本工作发展了一种非常有效且巧妙的抗烧结催化剂制备策略，对各类材料体系具有普遍的重要意义。”审稿专家如是评价。

“通过定制活性金属和载体，这一工作有望为多种催化反应中活性位点的烧结问题提供切实可行的解决方案。”曾杰介绍,“下一步团队将探索纳米岛结构催化剂在更多工业催化场景，如二氧化碳转化中的应用，并进一步优化合成方法，实现规模化制备。”

相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02134-9