南昌大学费林峰教授团队Nat. Commun.:非平衡脉冲加热冻结负载型金属纳米催化剂烧结
- 2026-02-14 17:53:34
第一作者：黄家威
通讯作者：费林峰，张洲洋、应亦然、黄长水
通讯单位：南昌大学、宁夏大学、西北工业大学、中科院化学所
论文DOI：10.1038/s41467-026-68539-5
近日，南昌大学费林峰教授团队联合中科院化学所黄长水研究员、西北工业大学应亦然教授、宁夏大学张洲洋副教授等，在超快加热方法稳定负载型金属催化剂的机理研究领域取得了重要进展。研究团队采用原位扫描透射电子显微镜结合理论计算，以石墨烯负载铂纳米颗粒（Pt/Graphene）为模型体系，实时观测并阐释了超快脉冲加热过程中纳米颗粒的微观结构演变。研究发现，铂纳米颗粒的抗烧结特性源于其在脉冲加热下处于热力学不稳定但动力学稳定的亚稳态，这种状态有效抑制了纳米颗粒在石墨烯表面的长程扩散与烧结；而传统加热方式则允许铂纳米颗粒自由迁移并发生团聚。因此，反复的脉冲加热可逐步提升铂纳米颗粒的结晶度，并促进其与石墨烯载体在晶格尺度上的匹配优化，进而赋予负载型纳米催化剂优异的抗烧结性能。这项研究从原子尺度揭示了脉冲加热稳定金属纳米颗粒的作用机理，为高性能纳米催化剂的非平衡合成提供了重要参考。相关成果以“Nonequilibrium pulsed heating freezes sintering of supported metal nanocatalysts”为题，于2026年1月23日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）杂志。
开发高效、稳定的催化剂是材料科学领域的核心课题之一。负载于惰性载体上的金属纳米颗粒因具有高比表面积和优异催化活性，在复杂催化反应中展现出巨大潜力。然而，其在制备或实际使用过程中不可避免地涉及高温环境（如在合成过程中分解前驱体、提升金属颗粒结晶度，或在实际催化过程中激活反应等），金属颗粒因热力学驱动易发生不可逆的烧结导致颗粒团聚、活性位点减少，从而显著降低催化性能和使用寿命。因此，有效抑制热致烧结对推动负载型金属催化剂的实际应用至关重要。
近年来，超快加热作为一种新兴的高温合成方法，在抗烧结纳米催化剂的合成方面显示出重要的应用潜力。该技术可在极短时间尺度内（毫秒至秒级）对载体上的金属前驱体实施闪速加热与冷却，从而瞬时形成具有高负载率、高结晶度和良好分散性的金属催化剂。然而，在这种动力学主导、热力学非平衡条件下，超小尺寸、高结晶度纳米颗粒的稳定化机制尚不明确。
1. 揭示了脉冲加热抑制金属纳米颗粒烧结的微观本质。
研究阐明，在超快脉冲加热条件下，金属颗粒处于“热力学不稳定但动力学稳定”的亚稳态。极短的加热时间显著抑制了原子的长程扩散与颗粒迁移，从而有效阻碍烧结过程。
2. 阐明了脉冲加热中颗粒结构演变与载体界面优化的动态机制。
在动力学稳定状态下，金属颗粒通过反复脉冲加热逐步调整结构，向高结晶度、低能态转变，并与石墨烯载体实现晶格取向对齐，强化金属-载体相互作用，显著提升抗烧结性能。
3. 建立了脉冲加热稳定金属纳米颗粒的工艺调控窗口。
研究系统解析了加热/冷却速率、保温时间、峰值温度及脉冲次数等关键参数对纳米颗粒分散性与稳定性的影响规律，为可控制备高稳定催化剂提供了明确指导。
图1. 脉冲加热与传统加热方法制备Pt/石墨烯催化剂的实验设计与温度程序。
要点：
1. 原位样品制备：通过等离子体清洗石墨烯表面，获得了洁净的Pt/石墨烯界面，为精确研究界面行为提供了理想的模型体系（图1a-b）。
2. 加热模式对比：通过对比脉冲加热与传统加热的温度-时间曲线，直观展示了两种方法在热历程上的根本差异（图1c-d）。
图2. 两种加热模式下Pt纳米颗粒的烧结行为对比。
要点：
1. 抗烧结的直接证据：原位STEM图像序列清晰显示，脉冲加热过程中Pt颗粒分布保持稳定（图2a-d），而传统加热下颗粒则发生显著团聚与长大（图2e-h）。
2. 烧结动力学的定量分析：颗粒数量与平均尺寸随时间的变化曲线证实，脉冲加热能有效抑制颗粒的烧结行为（图2i-j）。
3. 结构优化与界面增强：结合原位TEM与EELS分析发现，脉冲加热能快速形成高结晶度的Pt颗粒，并诱发Pt与石墨烯载体间的电荷转移而强化金属-载体相互作用（图2k-n）。
图3. 长周期脉冲过程中Pt纳米颗粒的结构变化及其与石墨烯载体之间的晶体学关系。
要点：
1. 优异的周期稳定性：经历长达100次脉冲加热后，原位STEM图像序列显示Pt颗粒仅发生轻微烧结，其纳米尺寸和颗粒分布在总体基本保持稳定（图3a-h）。
2. 金属颗粒-载体取向对齐：统计结果表明，100次脉冲后，Pt颗粒与石墨烯载体之间形成了高度的晶体学取向对齐关系，显著降低了界面能（图3i-k）。
图4. Pt纳米颗粒在100次脉冲过程中的原子尺度结构演变。
要点：
1. 结构优化路径：高分辨TEM图像揭示了Pt颗粒从低结晶度的不规则椭圆结构（前10次脉冲），经过中间态的细长六边形（10-40次脉冲），最终演变为规则六边形结构的全过程（图4）。这一过程由脉冲加热驱动表面原子重排所致，使体系逐步趋近能量最低的稳定状态。
图5. 理论计算揭示的抗烧结机理
要点：
1.最低能量界面构型：DFT计算表明，Pt(111)面与石墨烯的结合能最低，这与实验中观察到的界面优化方向一致，是颗粒稳定的内在原因（图5a-d）。
2.动力学抑制的模拟验证：分子动力学模拟对比显示，快速升温（模拟脉冲加热）能强烈抑制Pt原子扩散，而恒温条件（模拟传统加热）则导致颗粒迅速铺展与烧结（图5e-f）。
3.关键动力学窗口的确定：实验观测确定了一个约6秒的临界保温时间阈值，低于此时间可显著缓解烧结，从动力学角度定义了脉冲加热实现抗烧结的“安全窗口”（图5g-h）。
该研究系统揭示了超快脉冲加热抑制金属纳米颗粒烧结的微观机理，明确了动力学稳定态的关键作用。相关工作为利用非平衡合成策略，理性设计与制备高性能、高稳定性的抗烧结催化剂提供了重要的理论依据与工艺指导。未来研究可进一步拓展该策略至更多金属-载体体系，并探索其在工业催化应用中的潜力。
Jiawei Huang, Zhouyang Zhang*, Guangren Wang, Jiaqi Chen, Yucheng Zhang, Jian Zhou, Chunxian Xing, Yiran Ying*, Changshui Huang* & Linfeng Fei*. Nonequilibrium pulsed heating freezes sintering of supported metal nanocatalysts. Nat. Commun. (2026).
https://doi.org/10.1038/s41467-026-68539-5
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