众所周知，催化反应是化学工业的基础，85%以上的生活日用品与催化反应相关。如何提高催化剂性能并降低能源消耗及环境污染是催化研究的关键。催化剂的结构形貌对其催化性能有着决定性的影响，因此如何控制催化剂形貌一直是催化研究中的基本问题。传统的催化剂研究主要通过催化剂合成或者反应前预处理来调控催化剂的结构。但是，最近的大量原位实验表明在真实催化反应过程中催化剂形貌有可能发生剧烈变化，也就是说预先设计调控好的催化剂形貌结构在反应过程中可以失去其特定结构，从而使得催化剂设计和操控失去意义。如何在反应过程中预测与操控催化剂结构成了当下催化研究者所共同面临的一个基本问题。近日，中科院高等研究院高嶷（点击查看介绍）课题组和浙江大学电子显微镜中心王勇教授（点击查看介绍）课题组合作，就金属纳米颗粒在反应环境中的形貌变化的研究进展进行了综述。这些进展工作主要包含了这两个课题组近3年来在该研究领域中结合先进环境电镜（ETEM）技术与多尺度结构重构模拟（MSR）开展的合作工作。该综述文章以“Reshaping of Metal Nanoparticles in Reaction Conditions”为题发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）。

自2000年初以来，很多原位实验发现纳米催化剂在不同气氛环境中呈现多样的结构和组分变化。但这些早期实验的观测大都是在低气压的环境中进行的，与实际反应环境有很大差异。而早期的理论研究也局限于定性研究，无法对实验结果进行定量表征，原位研究工作只能被动展开而没法进行主动的预测与操控。自2016年以来，高嶷课题组自主开发了定量预测反应环境中金属纳米颗粒稳定结构的MSR模型。与此同时，王勇教授课题组的最新环境电镜技术对一系列从真空到常压下的金属纳米颗粒结构变化进行了原位表征。两者的结合填补了之前原位研究中理论与实验两方面的空缺，并使得原位研究得以向下一阶段迈进。本综述提供了一个让大家综合了解这些工作的契机。

该综述首先对原位电镜技术的发展以及此前的研究成果进行了简单的介绍。之后，对最近开发的MSR模型进行了详细的介绍。MSR模型适用于3纳米以上任意尺度纳米颗粒在给定温度与压强下的原子级别结构模拟。目前已经可以实现对单组份气体环境以及多组分气体环境的模拟，并已经可以囊括衬底对于负载纳米颗粒形貌的影响。在MSR模型的发展过程中，开发者就很注重与已报导的经典实验结果的直接比对，并将其作为衡量模型可靠性的一个重要标准。在此之后的理论与实验的合作工作中，MSR模型更是充分展现了其可靠性与重要性。在该综述的后续报导中，就着重对于ETEM与MSR的系列合作工作进行了详细介绍。由于MSR可以直接给出实验条件（温度、压强）下同纳米尺度颗粒原子结构的特性，MSR与ETEM的结果比较是最直观与最契合的，如图1所示。目前，Pd、Pt、Au等金属以及CuPd合金在氧气、氢气、一氧化碳，甚至氮气环境下的形貌变化已做了一系列研究。所有这些合作工作中，理论模拟与实验表征在相互独立的情况下得到了完美吻合的结果，揭示出这些现象背后的物理机制。

此前人们对于反应环境中金属纳米材料结构变化的理解是金属表面与气体强相互作用导致的，气体吸附越强越会造成结构变化。但是结合实验与理论的研究发现，所谓的“强”指的不是气体吸附的绝对强弱，而是气体吸附在不同金属表面上的相对强弱。气体在不同金属表面上的不均衡吸附才是导致纳米结构变化的真正动因，不同表面的吸附差异越大造成的结构变化就会越大。举例来说，氮气这种普遍认为没有活性的气体，它在Pd表面的吸附绝对强度都不大，但是它在Pd不同晶面上的吸附差异仍然足以造成出乎意料的1个大气压下Pd纳米颗粒形貌的变化。

气氛诱导金属形貌变化机理的揭示以及可靠预测模型的建立意味着通过选择合适温度压强对于催化剂形貌进行原位操控成为了可能。期待后续的实验工作能“按图索骥”实现反应中催化剂结构性能的实时调控，为设计实际反应中有效可靠催化剂提供新的思路与方法。

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Reshaping of Metal Nanoparticles in Reaction Conditions

Beien Zhu, Jun Meng, Wentao Yuan, Xun Zhang, Hangsheng Yang, Yong Wang, Yi Gao

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201906799

导师介绍

王勇

https://www.x-mol.com/university/faculty/14399

高嶷

https://www.x-mol.com/groups/gao_yi