化学工程与生物工程学院肖丰收教授与王亮研究员团队提出一种新的催化剂设计策略，他们将脱铝的Beta沸石分子筛作为载体调控铜纳米颗粒，在催化反应中的动态演化进程消除铜颗粒烧结、并控制已经烧结铜纳米颗粒进行二次分散，从而大幅延长催化剂的寿命。这种基于调控动态烟花过程的方案，兼顾了催化剂的稳定与活性，有望应用于发展更多耐久型催化剂，成果刊登于《科学》。

催化剂的活力“诅咒”

90%以上的化学工业过程中都依赖于催化剂的参与，催化剂在整个反应过程中并不是静止不变的，实际上催化剂表面的金属原子、团簇、颗粒等经历着复杂的动态结构演化，例如，扩散、迁移、团聚等。 一个直接的证据是，许多负载型的纳米金属催化剂在使用一段时间后就会出现烧结，原本均匀的纳米金属粒子里会出现“个头”特别大的颗粒。金属颗粒从小到大的转化过程多遵循“迁移团聚”和“奥斯特瓦尔德熟化”机理。反应气氛下的化学诱导效应会导致后者的可能性更大。早在1896年，德国物理化学家Wilhelm Ostwald就指出：当溶质从过饱和溶液中析出时，较小的颗粒会逐渐消溶并沉积到较大的结晶或溶胶颗粒上。“奥斯瓦尔德熟化”也是晶体生长的经典理论之一。 “催化剂的工作环境通常是在数百摄氏度的高温中，载体上金属颗粒表面的原子非常活泼，反应气氛中化学分子的诱导会导致其脱落并重新‘站队’，它们更倾向于‘跑’向大尺寸的颗粒，因为那里的表面能更低，更加稳定。经过一段时间后，大颗粒就越变越大，小颗粒就越来越小并逐渐消融。”王亮说，这是由微观粒子的“本性”决定的。 多年来，“奥斯瓦尔德熟化”效应像是一道无法破除的“诅咒”，造成催化剂性能不可逆的损伤。烧结后的催化剂的活性位点数量锐减，致其催化性能“断崖式下跌”。为了应对这种“衰退”，工业上常用的方法是增加数倍的催化剂用量，或者暂停生产对催化剂进行再生恢复或替换，就像车辆需要定期保养更新零件一样，需要花费高昂的成本。 

逆转“熟化”

  不要“长大”——这是长久以来科学家对于负载型金属催化剂的愿景。现有的方案是采用氧化物、碳材料等对金属纳米颗粒进行包裹，这样可以抑制金属烧结，但也会掩蔽部分活性位点。“这种思路是牺牲了部分活性来换取稳定性。”王亮说，要实现稳定性和活性兼顾，需要新的设计思路。

图：在弱相互作用载体表面设计相对强作用位点，捕获反应气氛诱导的金属颗粒奥斯特瓦尔德熟化（Ostwald Ripening）中间体，以形成新的成核中心并逆转传统金属颗粒的烧结过程。

神奇一幕：大颗粒变小，小颗粒变 

图：甲醇气氛诱导的大块铜表面原子向沸石分子筛表面迁移、分散的过程。