负载型金属纳米颗粒的烧结是材料与催化科学中的普遍现象，也是化工过程中催化剂失活的主要诱因。传统理论认为，这一烧结行为主要通过基底传质介导的两种经典机制进行——奥斯特瓦尔德熟化（Ostwald ripening，OR）或颗粒迁移融合（particle migration and coalescence，PMC）。尽管借助环境透射电镜等原位表征技术，科研人员已在低压条件（≤1 bar）下验证了上述烧结机制，但在工业催化普遍存在的高温高压极端工况中，其动态演化机制仍是未解之谜。因此，深入探究苛刻工况下催化剂的原子尺度动态行为和烧结机制，对工业催化的抗烧结策略开发具有重要意义。

基于上述研究背景，中国科学院上海高等研究院高嶷研究员（点击查看介绍）团队采用本组发展的反应环境动力学蒙特卡洛（EKMC）模拟方法，结合密度泛函理论（DFT）计算，系统研究了锐钛矿型TiO₂(101)负载Au纳米颗粒在高温、CO高压环境中的原子级重构机理，并首次提出“颗粒跳跃融合（particle hopping and coalescence，PHC）”这一全新烧结机制。

图1. 本研究建立的EKMC模拟方法流程图

如图1所示，本文建立了CO气氛下结构重构的模拟方法：分别将金属-金属、金属-气体和金属-衬底间的相互作用描述为Au原子的配位数（coordination number, CN）和广义配位数（generalized coordination number, GCN）的函数。基于该模型，可在模拟过程中动态计算金属原子的跳跃、气体分子的吸脱附及扩散等事件的能垒，并统计各类事件的发生时间，从而实现对复杂气-固界面结构演化过程的高效模拟。

图2. 400 °C、5 bar CO条件下的Au纳米颗粒PHC型融合

基于EKMC模拟方法，该研究发现：在高CO压强、高温条件下，金纳米颗粒会脱离锐钛矿型TiO₂(101)载体，发生“空中跳跃”，进而通过空中传质实现颗粒融合（图2）。该现象源于高CO化学势环境下，小尺寸金颗粒的界面原子与CO的强相互作用，其作用力超过了颗粒-衬底结合能。该发现不仅揭示了催化剂工况下烧结的新路径（图3），更暗示在反应过程中，纳米颗粒的烧结失活和载体间的催化剂迁移可能比预期更为频繁，为理解极端工况下催化剂的热失活提供了新视角。

图3. PHC烧结机制简述图

这项工作发表于Journal of the American Chemical Society，论文共同第一作者为高研院和应物所联合培养博士研究生张硕祺、韩宇，通讯作者为高嶷研究员、朱倍恩研究员。相关研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、上海市科委、上海超算中心的共同资助和支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Particle Hopping and Coalescence of Supported Au Nanoparticles in Harsh Reactive Environments

Shuoqi Zhang,^# Yu Han,^# Xiao-Yan, Li, Qingli Tang, Beien Zhu,* Yi Gao*

J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 15796–15805, DOI: 10.1021/jacs.5c03633

导师介绍

高嶷

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