金属纳米粒子与载体相互作用形成的介尺度结构对催化剂稳定性的影响

In this proposal, we select the supported metal nanoparticle catalysts as research object, take the scientific problem implied in the catalyst “instability” as research target, and choose the meso-scale structure caused by the competing interaction between metal-support interaction and metal-metal interaction as research subject. Based on molecular modelling, we will apply the wetting parameter related to the competing interaction to improve Gibbs-Thomson equation in thermodynamics, reveal and establish a quantitative relationship between the meso-scale structure of catalyst and stability, which will provide some new clues for designing novel supported metal catalysts to experimenters.

本申请项目以负载型纳米金属催化剂为研究对象，以催化剂“不稳定性”隐含的科学问题为研究目标，以金属-载体相互作用与金属内部的相互作用之间的竞争作用形成的介尺度结构为研究对象，采用分子模拟方法，将与竞争相互作用有关的润湿参数引入热力学中的Gibbs-Thomson 方程的校正，揭示和建立竞争作用导致的介尺度结构与催化剂稳定性之间的定量关系，为实验工作者设计新型负载金属纳米催化剂提供新的思路。

本文以负载型纳米金属催化剂为研究对象，以催化剂“不稳定性”隐含的科学问题为研究目标，以金属-载体相互作用与金属内部的相互作用之间的竞争作用形成的介尺度结构为研究对象，采用分子模拟方法，揭示和建立竞争作用导致的介尺度结构与催化剂稳定性之间的关系。理论上，我们利用分子动力学模拟研究了受限在扶手椅式单壁碳纳米管中的Pd-Au-Pt三元金属纳米粒子在熔化和凝固相变过程中的结构、热力学和动力学性质。计算结果表明，受限在碳纳米管中的Pd-Au-Pt纳米粒子具有圆筒状壳层结构，这与受限在碳纳米管中的金（或金-铂）纳米粒子的结构相似，但与游离的Pd-Au-Pt纳米粒子及大块金的结构不同。在每一个受限的Pt-Au-Pt纳米粒子中，Au原子优先地分布在管心附近，Pt原子倾向于分布在管壁附近，这与受限在碳纳米管中的Au-Pt二元纳米粒子的原子分布相似。有趣且重要的是，Pd原子分布在整个受限的纳米粒子中，这与实验结果一致，即金属钯在许多催化剂载体上的分散性较好。受限环境诱导的金属-碳管与金属-金属间相互作用的竞争作用导致了受限金属纳米粒子特殊结构的形成，从而提高了负载金属催化剂的稳定性。上述特殊结构包括由竞争相互作用引起的催化剂表面的“介尺度”结构，而后者如何影响受限金属催化剂的稳定性是一个重要的“介尺度”问题或“介尺度”现象，更为深入的研究正在进行中。实验上，主要以Pt纳米颗粒作为研究对象，考察与剖析了Pt与不同性质载体间形成的介尺度结构及其催化稳定性。本文的工作为实验工作者设计新型负载金属纳米催化剂提供了新的思路。