张泽：金在TiO2表面的晶面选择性烧结行为

tianranqi

金属-氧化物负载型催化剂在工业催化领域具有广泛应用。控制催化剂性能的一个关键参数是金属催化剂颗粒的尺寸。例如当Au纳米催化剂颗粒尺寸变大时，其催化活性会由于其表面积的减小而随之下降。由于许多催化反应发生在高温环境，在这样的条件下高度分散的纳米级催化剂会倾向于为减少表面能而烧结长大，从而失去活性。因此研究负载型催化剂的烧结机制有助于设计抗烧结的高性能催化剂。催化剂的烧结长大主要通过两种机制发生：一种是Ostwald ripening (OR)，即催化剂原子以原子或原子团簇的形式从小颗粒向大颗粒迁移；另一种是particle migration and coalescence (PMC)，主要是整个颗粒的布朗运动和聚集长大。目前已经有大量的研究工作围绕这两种烧结机制展开，然而金属-载体相互作用（MSI）对催化剂烧结行为的影响依然不明确，这已成为设计抗烧结的高性能催化剂的一大障碍。原位透射电镜技术能够实现原子尺度原位观察烧结过程，已在Pt/Al2O3、Cu/SiO2、Ni/MgAl2O4等多个体系的烧结研究中取得大量进展，为我们直接观察MSI对烧结的影响提供了新的机遇。但由于过往研究没有对界面进行很好的原位表征，所以烧结过程和机制仍有待实验提供直接证据。

浙江大学张泽院士团队王勇教授课题组与中国科学院上海应用物理研究所的高嶷研究员/朱倍恩副研究员课题组、丹麦技术大学电镜中心Wagner教授及Hansen博士合作，利用球差校正透射电镜及原位透射电镜技术，在原子尺度原位研究了Au纳米颗粒在TiO2表面的烧结行为。该项研究发现，TiO2不同的表面原子结构会对负载在其表面的Au纳米颗粒的烧结行为造成截然不同的影响。在锐钛矿TiO2的热力学稳定晶面（101）面上，原位透射电镜在500摄氏度下观察到OR和PMC两种烧结机制均容易发生；然而在锐钛矿TiO2的高能面（001）表面，相同条件下并未观察到明显的烧结现象。利用球差矫正透射电镜对两个界面的研究发现，Au纳米颗粒在TiO2（001）表面上结合较（101）表面更紧密，Au与两个表面不同的MSI导致了抗烧结性能的差异。通过理论计算发现，这种晶面选择性烧结行为主要是由于金在TiO2不同表面上的吸附及扩散能量不同导致的。这项工作不仅给出了负载型催化剂MSI对烧结过程影响的直接证据，同时也为抗烧结催化剂的设计提供了重要借鉴。

相关结果发表在Angewandte Chemie International Edition 上，浙江大学的袁文涛博士为文章第一作者，上海应用物理所的张达崴博士为并列第一作者。

该论文作者为：Wentao Yuan, Dawei Zhang, Yang Ou, Ke Fang, Beien Zhu, Hangsheng Yang, Thomas W. Hansen, Jakob B. Wagner, Ze Zhang, Yi Gao, Yong Wang

Direct in situ TEM visualization and insight of the facet-dependent sintering behaviours of gold on TiO2

Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201811933