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仪表网 研发快讯】近日，中国科学院大连化学物理研究所催化与新材料研究室(十五室)张涛院士、杨冰副研究员团队与中国科学院上海高等研究院朱倍恩研究员合作，在动态金属催化研究与设计方面取得新进展。研究团队通过原位解析不同尺寸的Pd/FeOx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，动态碳化作为一种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，这为原位解析高活性结构、实现催化剂的理性设计带来挑战。
在本工作中，研究团队发现，大颗粒5Pd-FeOx催化剂(直径大于5nm)在反应初期受H2主导，促进金属载体合金化(RMSI)产生Pd3Fe合金。该合金表面进一步促进HCOO*反应中间体(加氢路径)，导致快速表面碳化，形成高活性的Pd3Fe@Fe5C2/Fe3O4结构，展现出优异的逆水汽变换反应活性(CO产率为46 mmol gcat-1h-1)。相比之下，小尺寸的0.5Pd-FeOx催化剂(直径为2至3nm)由于强金属载体相互作用(SMSI)，FeOx包覆层抑制了Fe的还原和碳化过程，导致相对较低的反应活性。而0.05Pd-FeOx单原子催化剂则由于金属载体电子相互作用(EMSI)，促进CO2直接解离，并在CO诱导下产生缓慢体相碳化，经过20小时的诱导期，可将CO生成速率从27 mmol gcat-1h-1提升至42 mmol gcat-1h-1。
这些结果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。通过解耦这一复杂动态过程，研究人员发现，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从而提高反应活性的关键因素。基于这一认识，团队进一步设计出具备高活性、短诱导期的低载量0.5Pd3Fe/FeOx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。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。
近年来，张涛、杨冰团队致力于发展原位显微与原位谱学耦合的“可视化+可量化”原位表征方法，实现了针对单原子、纳米催化剂的原位定量解析(Nature，2025；J Am. Chem. Soc.，2023；ACSCatal.，2023；J. Phys. Chem. Lett.，2024)，并揭示了反应气氛环境对催化剂动结构演变的关键调控作用(Chem，2022；Nat. Commun.，2024；ACS Catal.，2025)。
相关研究成果以“Domino effect of Catalysis: coherence between reaction network and catalyst restructuring accelerating surface carburization for CO2 hydrogenation”为题，于近日发表在《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)上。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委“单原子催化”基础科学中心项目、中国科学院基础研究领域青年团队等项目的支持。
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