近日，中科院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)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(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(xué)上傾向于聚集和燒結(jié)。在實際反應(yīng)條件下，催化劑的聚集和燒結(jié)可能會被進一步顯著加快，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)化過程中長期以來所面臨的重大課題。
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(yīng)所涉及的分子和反應(yīng)歷程。催化劑的擔載量、尺寸、分布、形貌、反應(yīng)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(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(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熟化過程為對象，首次從微觀上建立了描述實際反應(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散、相應(yīng)的催化劑燒結(jié)動力學(xué)方程。從理論上確定了影響催化劑燒結(jié)動力學(xué)的關(guān)鍵因素，推導(dǎo)出反應(yīng)物促進催化劑熟化、誘導(dǎo)催化劑分解的熱力學(xué)判據(jù)。在此基礎(chǔ)上提出如何通過優(yōu)化載體、反應(yīng)條件、控制催化劑的尺寸和分布來抑制催化劑的燒結(jié)，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(jié)果在很寬反應(yīng)溫度、壓力和催化劑尺寸范圍內(nèi)都與實驗結(jié)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(jié)動力學(xué)和穩(wěn)定性的優(yōu)化設(shè)計，相關(guān)的理論研究工作正在進行中。
