科学家获取一种原子级分散催化剂

最近几天，中国科学技术大学曾杰研究组，美国华盛顿州立大学研究组，美国加州大学戴维斯分校Bruce C.Gates研究组和美国亚利桑那州立大学刘研究组合作，在《自然》杂志上发表了最新研究成果本文报道了一种具有纳米岛限制的原子分散催化剂，突破了传统催化剂活性和稳定性之间的矛盾

在多相催化中，原子分散的金属催化剂因其独特的几何和电子特性，最高的原子利用效率和均匀的活性中心而备受关注可是，高度分散的金属原子可能由于高表面能而移动和聚集，从而导致稳定性差或者活性位点由于与载体的相互作用太强而被钝化因此，如何获得动而不聚的金属活性位，从而打破催化剂活性和稳定性之间的矛盾，一直是催化领域尚未解决的问题之一

鉴于此，研究人员设计了一种纳米岛催化剂，即活性金属原子被隔离在岛上，可以在各自的岛内移动但跨岛迁移被阻挡，从而实现原子的动态约束稳定性。

为了实现这一目标，需要选择合适的材料分别作为纳米岛和载体金属与纳米岛的相互作用需要远远强于金属与载体的相互作用，否则很容易离开各自的纳米岛因此，在设计的模型催化剂中，研究人员选择了与金属相互作用强的氧化物作为岛，而相互作用弱的氧化物作为载体来支撑岛

其次，为了高效分离金属原子，岛需要有足够高的密度和足够小的尺寸传统的制备方法容易造成岛的尺寸过大且不均匀研究人员开发了一种液相静电吸附的合成方法首先在二氧化硅表面附着高密度的铈原子，然后控制它们自下而上凝聚成只有2纳米的孤立孤岛

最后的难点在于将金属原子精确地放置在纳米岛上为此，研究人员再次采用液相静电吸附法，巧妙地利用零点原理，使氧化铈岛和氧化硅载体表面分别带相反电荷由于相反电荷的相互吸引，带负电的铂前驱体只会选择性地吸附在带正电的氧化铈纳米岛上，而不会吸附在带负电的氧化硅载体上，从而实现铂原子的定点生长由于小尺寸纳米岛的吸附面积有限，通过控制铂前驱体的浓度，可以实现每个岛上不超过一个铂原子的目标

稳定性研究表明，氧化铈纳米岛上的铂原子可以耐受高达600摄氏度的空气煅烧特别是铂原子在高温下只能在氢气氛中的岛内移动，不会跨岛再结合，实现了活性位的动而不聚该活化催化剂可将一氧化碳氧化反应速率提高两个数量级，且稳定性高

这项工作为突破催化剂活性和稳定性之间的矛盾提供了新的解决方案未来，通过选择特定材料的载体，纳米岛和活性金属原子，有望将这种纳米岛型催化剂应用于不同的催化反应