纳米级结构材料简称为纳米材料，广义上是三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围超精细颗粒材料的总称。根据2011年10月18日欧盟委员会通过的定义，纳米材料是一种由基本颗粒组成的粉状、团块状的天然或人工材料，这一基本粒的一个或多个维度尺寸在1纳米至100纳米之间，并且这一基本颗粒的总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50％以上。

在各种纳米技术中，纳米材料的稳定性是一个十分重要的问题，特别是对于异质金属纳米催化剂，以满足能源和环境要求。由热和/或化学诱导烧结将较小的金属纳米颗粒(NPs)转化为较大的NPs而导致的不稳定性严重降低了生产率，延迟了高活性纳米催化剂从实验室到工厂的转化，并且需要工厂停工以进行催化剂更换或再生，从而导致较大的资本成本。合理设计具有足够耐热性和操作寿命的纳米催化剂，除了具有高活性和选择性之外，即使对于一般的纳米科学领域也具有显著的经济和科学价值。

金属纳米粒子的烧结通过金属原子和/或金属-反应物络合物的形成和扩散[奥斯特瓦尔德熟化OR和/或通过载体上的粒子迁移和聚结(PMC)进行(图1A)。为了减轻烧结，已经使用了物理方法，例如空间限制和几何屏蔽，其包括将纳米粒子结合到1D管状或3D微/中孔材料中，以及在纳米粒子上完全/部分封装具有微通道的低反应性薄膜。这些方法的代价是堵塞活性位点和阻碍反应物的运输。化学上，金属-载体相互作用(MSI)的改变用于稳定NPs和控制烧结动力学，然而，这是载体组成和表面取向/缺陷、界面结构、晶格失配、混合/合金相形成、电荷重排和反应条件的复杂函数。这一事实导致烧结动力学和基础MSI之间的巨大差距，并对载体的筛选和/或优化提出挑战，从而需要昂贵的试错实验。为了弥补这一差距，确定相应的MSI描述符和确定烧结动力学的控制规则以及开发设计理论来设计超稳定纳米催化剂的金属-载体界面是至关重要的。

    二、研究成果

负载纳米催化剂的稳定性对于应对环境和能源挑战至关重要，需要基础理论来缓解反复试验和加速实验室到工厂的转化。为解决这一世界难题，近日，中国科学技术大学李微雪教授和胡素磊博士报道了金属-载体相互作用的Sabatier原理，用于稳定金属纳米催化剂防止烧结，基于使用来自1252个能量学数据的标度关系的323个金属-载体对的动力学模拟。太强的相互作用会触发奥斯特瓦尔德成熟，而太弱的相互作用会刺激粒子迁移和聚结。载体的高通量筛选使纳米催化剂的烧结阻力在均匀载体上达到Tammann塔曼温度，在异能载体上远远超过该温度。第一性原理神经网络分子动力学模拟和实验证实了这一理论，为超稳定纳米催化剂的设计铺平了道路。相关研究工作以“Sabatier principle of metal-support interaction for design of ultrastable metal nanocatalysts”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。

这里介绍一下作者，李微雪，中国科学技术大学教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者，武汉大学本科毕业，1998年中科院力学研究所博士毕业；1999-2004年在德国马普协会Fritz Haber研究所、丹麦Aarhus大学从事博士研究。2004-2015年在中国科学院大连化学物理研究所工作，2015年至今在中国科学技术大学工作。李微雪教授先后获得中科院百人计划择优支持，国家杰出青年科学基金，中国催化青年奖，“万人计划”领军人才等荣誉称号。研究方向为理论与计算催化，近期主要围绕催化材料的晶相调控、纳米催化材料的表界面效应、以及纳米催化的稳定性展开系统理论研究。

（图为李微雪教授与胡素磊博士讨论分子动力学模拟中遇到的问题）

     三、图文速递

 图1. 能量学的烧结机理和标度关系

图2. 作为金属-载体相互作用函数的NPs稳定性的火山曲线

作者对323个金属-载体对的程序升温OR和PMC进行了动力学模拟分析，金属-载体对的初始平均直径相同，典型的为3.0±0.3 nm。研究表明，发现PMC的模拟Ton随S^mE_adh的绝对值线性增加（图2A），相反，OR的模拟Ton随E_bs的绝对值呈现线性下降的趋势（图2B）。因为OR和PMC都对烧结过程有贡献，所以整体烧结的有效Ton由Ton较低的较快者决定。考虑到OR和PMC速率对MSI的反依赖性以及E_adh和E_bs之间标度关系的约束，可以看到有效Ton的火山型关系（图2C）。

 图3.支持金纳米粒子的火山曲线和分子动力学模拟

 图4.超越火山曲线双功能载体的设计和高通量筛选

   四、结论与展望

在这项研究中，作者报道了一个关于负载金属纳米粒子抗烧结稳定性的Sabatier原理，该原理基于粒子粘附能和原子与载体结合能之间的线性标度关系，两个MSI描述符对应于OR和PMC过程。利用1252个能量学数据对10种过渡金属和91种载体(共323对金属-载体)进行了烧结动力学模拟，揭示了烧结动力学对多孔硅的普遍火山依赖性。研究发现，在均质支撑上对应于最高稳定性的最佳金属-载体相互作用(MSI)既不应该太强也不应该太弱。MSI太强会引发快速OR，而MSI太弱会刺激PMC效应，两者都严重恶化了稳定性。对于具有最佳MSI至NPs的载体，烧结开始温度约为典型NPs的本体金属熔化温度T_m的一半(~3 nm)，这由长期报道的经验Tammann温度证实。所揭示的Sabatier原理使得异质含能载体的高通量筛选能够打破标度关系，并使所支持的纳米粒子的耐烧结性大大超过Tammann塔曼温度。基于第一性原理神经网络势的分子动力学模拟和现有实验证实的理论为超稳定纳米催化剂的设计铺平了道路。

文献链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abi9828