催化剂结构演变与反应进程的“多米诺效应”被揭示

近日，中国科学院院士、大连化学物理研究所研究员张涛与副研究员杨冰团队，联合上海高等研究院研究员朱倍恩，在动态金属催化研究与设计方面取得进展。该团队通过原位解析不同尺寸的Pd/FeO_x催化剂在CO₂加氢过程中的动态演变行为，揭示了催化剂结构演变与反应进程之间的“多米诺效应”，为催化剂的高效设计提供了新思路。

在多相催化领域中，动态碳化作为常见的催化剂重构过程，其关键调控因素的识别对催化剂性能优化至关重要。然而，在实际反应进程中，反应环境、反应中间体与催化剂结构演变之间存在错综复杂的耦合作用，对原位解析高活性结构、实现催化剂的理性设计提出了挑战。

该团队发现，大颗粒5Pd-FeO_x催化剂在反应初期受H₂主导，促进金属载体合金化产生Pd₃Fe合金。该合金表面进一步促进HCOO*反应中间体，导致快速表面碳化，形成高活性Pd₃Fe@Fe₅C₂/Fe₃O₄结构，展现出优异的逆水汽变换反应活性。相比之下，小尺寸0.5Pd-FeO_x催化剂由于强金属载体相互作用，使FeO_x包覆层抑制Fe的还原和碳化过程，导致相对较低的反应活性。而0.05Pd-FeO_x单原子催化剂由于金属载体电子相互作用，促进CO₂直接解离，并在CO诱导下产生缓慢体相碳化，经过20小时诱导期，可将CO生成速率从27 mmol g_cat^-1h^-1提升至42 mmol g_cat^-1h^-1。

上述研究揭示了催化剂动态结构演化的复杂性及其与反应进程、反应网络之间的交互耦合机制，阐明了金属粒径→反应气→界面重构→反应中间体→动态碳化→反应产物的链式“多米诺效应”。团队解耦这一复杂动态过程发现，相比于尺寸效应和金属-载体相互作用，合金化过程才是加速催化剂碳化进而提高反应活性的关键因素。基于这一认识，团队进一步设计出高活性、短诱导期的低载量0.5Pd₃Fe/FeO_x合金催化剂，提升了反应性能及贵金属利用率，实现了高性能CO₂加氢反应中催化剂的高效设计。同时，该研究强调了原位解耦催化剂复杂动态演变的重要性，为发展原位结构解析驱动的催化剂理性设计提供了范例。

相关研究成果发表在《美国化学会志》（JACS）上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等的支持。

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