金属催化剂烧结是指在高温或复杂化学气氛下，金属纳米颗粒因表面能驱动而发生迁移、融合或奥斯特瓦尔德熟化（Ostwald Ripening）等过程，导致颗粒尺寸增大、活性表面积减少，进而降低催化性能的现象。
烧结是工业催化中催化剂失活的主要原因之一，其机制包括颗粒迁移与融合（PMC）、奥斯特瓦尔德熟化（OR）以及颗粒跳跃融合（PHC）。影响烧结的关键因素包括颗粒尺寸、载体性质、反应条件（如温度和化学势）、助剂和限域效应等。
为抑制烧结，科学家提出了多种策略，例如纳米岛结构、单原子催化剂、限域效应以及优化金属与载体的相互作用，以提升催化剂的热稳定性和催化性能。这一过程是工业催化中催化剂失活的主要原因之一，也是材料与催化科学领域的关键挑战之一。
DOI：10.1021/jacs.5c03633
金属催化剂烧结的机制
传统的烧结机制主要包括以下几种：
奥斯特瓦尔德熟化（Ostwald Ripening, OR）：在这种机制下，小颗粒中的原子由于表面能较高，会自发迁移到大颗粒表面，导致小颗粒逐渐消失，而大颗粒不断生长。这种过程通常涉及气相迁移，原子从一个颗粒表面脱离后通过气相扩散到另一个颗粒表面，最终导致颗粒尺寸分布的不均匀。
颗粒迁移与融合（Particle Migration and Coalescence, PMC）：在这种机制中，纳米颗粒在载体表面迁移，当两个颗粒接触时，它们会融合成一个更大的颗粒。这种迁移通常依赖于金属颗粒与载体之间的相互作用力，例如金属与氧化物载体的键合强度。
DOI：10.1021/acs.iecr.4c01029
颗粒跳跃融合（Particle Hopping and Coalescence, PHC）：在高温高压等极端条件下，金属纳米颗粒可能会脱离载体表面，通过“空中跳跃”的方式在气相中实现颗粒融合。这种机制在高CO化学势环境下尤为显著，例如在负载型金纳米颗粒与TiO₂载体的相互作用中。
DOI：10.1021/jacs.5c03633
金属-载体强相互作用：金属与载体之间的强相互作用会影响烧结行为。例如，强相互作用可以通过形成金属-氧化物界面来稳定金属颗粒，抑制其迁移和烧结，但同时也可能导致催化活性的降低。
DOI：10.1021/acs.iecr.4c01029
金属催化剂烧结的影响因素
颗粒尺寸：小尺寸的金属纳米颗粒更容易烧结，因为它们具有更高的表面能。相比之下，大颗粒由于表面能较低，更稳定。
载体性质：载体的比表面积、化学性质和热稳定性对烧结行为有重要影响。例如，高比表面积的载体有助于分散金属颗粒，减少烧结的可能性。此外，强相互作用的载体（如CeO₂、Al₂O₃等）可以增强金属颗粒的锚定作用，从而抑制烧结。
DOI：10.1038/s41563-025-02134-9
反应条件：高温和还原性气氛会加速烧结过程。例如，在甲烷干重整反应中，高温和还原性气氛会显著促进金属颗粒的迁移和融合。
助剂和添加剂：加入适当的助剂（如ZnO、Al₂O₃等）可以调节金属颗粒的分散度和稳定性，从而抑制烧结。
合金化：形成合金（如Cu-Zn合金）可以提高金属颗粒的热稳定性，从而抑制烧结。
限域效应：通过限域效应（如孔道限域、包覆限域等）可以将金属颗粒限制在特定的空间范围内，防止其迁移和烧结。
金属催化剂烧结的后果
活性表面积减少：烧结会导致金属颗粒的尺寸增大，从而减少活性表面积，降低催化活性。
活性位点减少：烧结会使活性位点的数量减少，导致催化反应的效率下降。
催化剂失活：烧结是催化剂失活的主要原因之一，尤其是在高温和复杂化学气氛下。
金属催化剂烧结的解决方案
纳米岛结构：中国科学技术大学曾杰教授团队提出了一种纳米岛结构催化剂，通过在载体与金属颗粒之间嵌入金属氧化物团簇（纳米岛），可以显著提升金属纳米颗粒的抗烧结性能。纳米岛结构通过同时切断两种烧结路径（PMC和OR），实现了金属颗粒的稳定分散。
DOI：10.1038/s41563-025-02134-9
单原子催化剂：单原子催化剂通过将金属原子分散在载体上，可以有效抑制烧结。然而，许多单原子催化剂在高温环境下容易受到奥斯特瓦尔德熟化的影响，因此需要开发具有优异热稳定性的单原子催化剂。
DOI: 10.1016/S1872-2067(21)63888-3
限域效应：通过限域效应（如孔道限域、包覆限域等）可以将金属颗粒限制在特定的空间范围内，防止其迁移和烧结。
DOI: 10.1016/S1872-2067(21)63888-3
合金化：形成合金（如Cu-Zn合金）可以提高金属颗粒的热稳定性，从而抑制烧结。
优化金属与载体的相互作用：通过优化金属与载体的相互作用，可以增强金属颗粒的锚定作用，从而抑制烧结。
总结
金属催化剂烧结是工业催化中催化剂失活的主要原因之一，其机制包括奥斯特瓦尔德熟化、颗粒迁移与融合、颗粒跳跃融合等。影响烧结的因素包括颗粒尺寸、载体性质、反应条件、助剂和添加剂等。为了解决烧结问题，科学家们提出了多种解决方案，如纳米岛结构、单原子催化剂、限域效应、合金化和优化金属与载体的相互作用等。