南昌大学NC:50 ms热冲击“冻结”Pt烧结,经千次高温仍稳定

2026年1月9日，南昌大学的费林峰、中国科学院化学研究所的黄长水、宁夏大学的张周阳及西北工业大学的应依然等在《Nature Communications》期刊上发表题为"Nonequilibrium pulsed heating freezes sintering of supported metal nanocatalysts"的研究论文。该研究针对负载型金属纳米催化剂在高温处理中易烧结这一长期瓶颈，设计了原位(S)TEM对比实验，首次在原子尺度上揭示了超快脉冲加热（150 °C·s⁻¹升温至1000 °C，50 ms脉冲宽度）诱导的亚稳态机制——Pt纳米颗粒在热力学上不稳定却在动力学上被"锁定"，有效抑制了长程扩散与颗粒合并；同时，重复脉冲逐步优化了Pt/石墨烯界面取向与晶化程度，实现了极高抗烧结稳定性，为高通量制备 robust 纳米催化剂提供了全新的非平衡合成范式。

【研究背景】

1. 催化剂"高温必死"的魔咒

负载型金属纳米颗粒（NPs）是能源转化与化工制造领域的核心材料，但高温处理 inevitable 引发烧结——小颗粒合并成大颗粒，比表面积锐减，催化活性断崖式下降。这是制约工业应用的"老大难"问题。

2. 超快加热的崛起与谜团

近年来，碳热冲击等超快加热技术（数十至数百毫秒）能瞬间合成高分散、高负载的金属纳米颗粒甚至单原子，且表现出反常的抗烧结能力。然而，这种"快烧反而不烧结"的现象背后机制一直不清楚——是热力学稳定还是动力学陷阱？

3. 原位电镜打开黑箱

传统研究依赖"加热后看结果"的离线表征，无法捕捉烧结过程中的瞬时动态。原位(S)TEM技术能在超高时空分辨率下实时观察纳米颗粒的演变，为解开脉冲加热的抗烧结之谜提供了关键工具。

4. 理论与实验的双剑合璧

仅靠实验观察不足以揭示原子级机制，必须结合密度泛函理论（DFT）计算界面结合能，以及分子动力学（MD）模拟原子扩散行为，才能从能量与动力学双重视角阐明烧结抑制本质。

【研究方法】

1. 原位脉冲加热(S)TEM实验平台

研究团队在硅化氮（SiNₓ）薄膜上构建了微加热芯片（heating E-chip），通过螺旋铜电极施加可控电流实现脉冲加热。脉冲协议参数为：升温/降温速率150 °C·s⁻¹，峰值温度1000 °C，单次脉宽50 ms，循环100次；并与传统慢速加热（1 °C·s⁻¹升至1000 °C，保温后5 °C·s⁻¹冷却）进行严格对照。

图1：两种加热模式下加热 Pt 纳米颗粒的实验设计

2. 洁净Pt/石墨烯模型体系的构建

为保证界面洁净，研究采用Ar⁺/O₂⁻等离子体预处理石墨烯薄片去除表面杂质，再滴加铂前驱体(NH₃)₄Pt(NO₃)₂。该模型体系排除了复杂载体干扰，聚焦于Pt NPs的本征烧结行为。

3. 多尺度表征联用

通过原位STEM追踪颗粒数量与尺寸演变；利用HRTEM解析晶面取向与晶化程度；借助C K-edge电子能量损失谱（EELS）探测Pt/石墨烯界面电子结构变化；结合FFT/iFFT分析原子排列有序度。

4. DFT计算与MD模拟

DFT计算比较了Pt(001)、Pt(011)和Pt(111)三种晶面与石墨烯的结合能；MD模拟分别构建了温度线性爬升（模拟脉冲加热）与温度恒定保持（模拟传统加热）两种过程，追踪Pt原子在皮秒尺度的扩散与迁移行为。