催化開天地 - Science：原位觀察！納米粒子和載體協同作用！－鑽石舞台

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貴金屬納米顆粒（NP）被用作催化劑的活性成分，因此在化學品和燃料的可持續生產以及污染物的緩解中發揮重要作用。當貴金屬作為納米顆粒分散在高表面氧化物載體上時，會顯現出有趣的催化特性。雖然簡單的模型將催化特性主要歸因於尺寸效應，由於金屬是惰性氧化物支撐的活性相，金屬和載體之間的協同相互作用可能至關重要。

金屬-載體相互作用的一個突出例子是高溫還原處理（HTR）時二氧化鈦負載鉑（Pt-TiO2）的氫化學吸附損失。Tauster等人首次觀察到了這種效應，可以通過一系列高溫氧化和隨後的低溫還原步驟來恢復。最初，化學吸附抑制歸因於系統的電子擾動，即Pt和Ti陽離子在還原氣氛下的鍵合。

隨後的研究表明，原位還原激活導致Pt納米粒子（Pt NPs）封裝在薄而部分還原的TiO2層。這種所謂的強金屬-載體相互作用（SMSI）狀態的驅動力歸因於表面能量最小化。

據報道，Co、Ni、Au和Cu NP也有類似的封裝效應。最近，研究表明，高溫氧化處理也會導致NP封裝。SMSI封裝的潛在好處包括阻礙了NP團聚和Ostwald熟化。此外，可以通過調節分子在催化劑表面的吸附強度和阻斷特定的活性位點來調整催化劑的選擇性。

因此，在開發改進的催化劑和工藝方面，以受控的方式利用金屬NP之間的協同相互作用及其載體的能力備受關注。由於金屬顆粒和可還原載體的化學狀態受到化學環境的影響，因此在催化工作條件下應研究它們的相互作用和可能的協同效應。

蘇黎世聯邦理工學院M. G. Willinger，J. A. van Bokhoven和X. Huang等人在Science上發表文章，Dynamic interplay between metal nanoparticlesand oxide support under redox conditions，作者發現貴金屬顆粒和可還原金屬氧化物載體之間的動態相互作用可能取決於與環境氣體的氧化還原反應。

這項研究建立在早些時候對氧化物負載的貴金屬NP界面動力學的研究的基礎上。在高壓力下工作使作者能夠可視化與金屬載體相互作用直接相關的氣相誘導過程，並揭示NP、載體和氣體在工作條件下的動態相互作用。

作者選擇了Pt-TiO2催化劑，因為它是首次描述SMSI狀態的原型系統，最近表明，Pt NP的靜態封裝狀態不僅存在於氫氣下，而且存在於純氧化條件下，然而，其特定的覆蓋層結構取決於氣體環境。作者研究了氫氣氧化，因為它是最基本的氧化還原反應。此外，這種催化系統僅在高溫下氣相反應中產生水。

透射電子顯微鏡顯示，一旦系統在總壓力約為1巴的含氧和氫的氧化還原反應環境中，在還原條件下觀察到的TiO2上Pt顆粒的強金屬載體相互作用（SMSI）誘導封裝就會丟失。金屬-氧化物界面的不穩定和氧化還原介導的TiO2重建導致粒子動力學和定向粒子遷移，這取決於納米粒子的方向。當切換回純氧化條件時，重新建立了靜態封裝SMSI狀態。

這項工作強調了活性狀態和非反應態之間的區別，並表明金屬-載體相互作用的表現在很大程度上取決於化學環境。