【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院大連化學物理研究所催化與新材料研究室(十五室)張濤院士、楊冰副研究員團隊與中國科學院上海高等研究院朱倍恩研究員合作，在動態金屬催化研究與設計方面取得新進展。研究團隊通過原位解析不同尺寸的Pd/FeOx催化劑在CO2加氫過程中的動態演變行為，揭示了催化劑結構演變與反應進程之間的“多米諾效應”，為催化劑的高效設計提供了新思路。
在多相催化領域中，動態碳化作為一種常見的催化劑重構過程，其關鍵調控因素的識別對催化劑性能優化至關重要。然而，在實際反應進程中，反應環境、反應中間體與催化劑結構演變之間存在錯綜復雜的耦合作用，這為原位解析高活性結構、實現催化劑的理性設計帶來挑戰。
在本工作中，研究團隊發現，大顆粒5Pd-FeOx催化劑(直徑大于5nm)在反應初期受H2主導，促進金屬載體合金化(RMSI)產生Pd3Fe合金。該合金表面進一步促進HCOO*反應中間體(加氫路徑)，導致快速表面碳化，形成高活性的Pd3Fe@Fe5C2/Fe3O4結構，展現出優異的逆水汽變換反應活性(CO產率為46 mmol gcat-1h-1)。相比之下，小尺寸的0.5Pd-FeOx催化劑(直徑為2至3nm)由于強金屬載體相互作用(SMSI)，FeOx包覆層抑制了Fe的還原和碳化過程，導致相對較低的反應活性。而0.05Pd-FeOx單原子催化劑則由于金屬載體電子相互作用(EMSI)，促進CO2直接解離，并在CO誘導下產生緩慢體相碳化，經過20小時的誘導期，可將CO生成速率從27 mmol gcat-1h-1提升至42 mmol gcat-1h-1。
這些結果揭示了催化劑動態結構演化的復雜性及其與反應進程、反應網絡之間的交互耦合機制，闡明了“金屬粒徑→反應氣→界面重構→反應中間體→動態碳化→反應產物”的鏈式多米諾效應。通過解耦這一復雜動態過程，研究人員發現，相比于尺寸效應和金屬-載體相互作用，合金化過程才是加速催化劑碳化從而提高反應活性的關鍵因素?；谶@一認識，團隊進一步設計出具備高活性、短誘導期的低載量0.5Pd3Fe/FeOx合金催化劑，提升了反應性能及貴金屬利用率，實現了高性能CO2加氫反應中催化劑的高效設計。該研究強調了原位解耦催化劑復雜動態演變的重要性，為發展原位結構解析驅動的催化劑理性設計提供了范例。
近年來，張濤、楊冰團隊致力于發展原位顯微與原位譜學耦合的“可視化+可量化”原位表征方法，實現了針對單原子、納米催化劑的原位定量解析(Nature，2025；J Am. Chem. Soc.，2023；ACSCatal.，2023；J. Phys. Chem. Lett.，2024)，并揭示了反應氣氛環境對催化劑動結構演變的關鍵調控作用(Chem，2022；Nat. Commun.，2024；ACS Catal.，2025)。
相關研究成果以“Domino effect of Catalysis: coherence between reaction network and catalyst restructuring accelerating surface carburization for CO2 hydrogenation”為題，于近日發表在《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)上。該工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金委“單原子催化”基礎科學中心項目、中國科學院基礎研究領域青年團隊等項目的支持。
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