负载型金属纳米颗粒的烧结是材料与催化科学中的普遍现象，也是化工过程中催化剂失活的主要诱因。传统理论认为，这一烧结行为主要通过基底传质介导的两种经典机制进行——奥斯特瓦尔德熟化（Ostwald ripening，OR）或颗粒迁移融合（particle migration and coalescence，PMC）。尽管借助环境透射电镜等原位表征技术，科研人员已在低压条件（≤1 bar）下验证了上述烧结机制，但在工业催化普遍存在的高温高压极端工况中，其动态演化机制仍是未解之谜。因此，深入探究苛刻工况下催化剂的原子尺度动态行为和烧结机制，对工业催化的抗烧结策略开发具有重要意义。

基于上述研究背景，高嶷研究员团队采用本组发展的反应环境动力学蒙特卡洛（EKMC）模拟方法，结合密度泛函理论（DFT），系统研究了锐钛矿型TiO₂(101)负载Au纳米颗粒在高温、CO高压环境中的原子级重构机理，并首次提出“颗粒跳跃融合（particle hopping and coalescence，PHC）”这一全新烧结机制。相关工作以“Particle Hopping and Coalescence of Supported Au Nanoparticles in Harsh Reactive Environments”为题发表于Journal of the American Chemical Society。

图1 本研究建立的EKMC模拟方法流程图

基于图1展示的EKMC模拟方法，该研究发现：在高CO压强、高温条件下，金纳米颗粒会脱离锐钛矿型TiO₂(101)载体，发生“空中跳跃”，进而通过空中传质实现颗粒融合。完成空中融合的浮动颗粒在超越临界尺寸时，会重新沉积到载体表面。该现象源于高CO化学势环境下，小尺寸金颗粒的界面原子与CO的强相互作用，其作用力超过了颗粒-基底结合能。该发现不仅揭示了催化剂工况下烧结的新路径（图2），更暗示在反应过程中，纳米颗粒的烧结失活和载体间的催化剂迁移可能比预期更为频繁，为理解极端工况下催化剂的热失活提供了新视角。

图2 PHC烧结机制简述图

这项研究深化了对实际工业环境中负载型纳米颗粒烧结过程的基础理论认知，并为跨尺度时空耦合的纳米体系模拟建立了研究方法框架。论文共同第一作者为高研院和应物所联合培养博士研究生张硕祺、韩宇，通讯作者为高嶷研究员、朱倍恩研究员。相关研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、上海市科委、上海超算中心的共同资助和支持。

文章链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c03633