《Materials Today Chemistry》：Dynamic structural evolution of metal nanocatalysts: Atomic-scale regulation, interface engineering, and industrial transformation challenges
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金属纳米催化剂的原子扩散与迁移行为受热力学与动力学共同调控，需跨尺度研究方法解决原子级精确调控、纳米组装与界面工程、宏观放大生产及表征技术限制等挑战，未来需创新精准合成、增强动态稳定性并整合跨尺度协同设计及智能表征。
孙玉瑶|索子静|刘志远|马博浩|赖建平|王磊
教育部生态化学工程国家重点实验室基地，青岛科技大学化学与分子工程学院生态化学工程与绿色制造国际科技合作基地，中国青岛市266042
摘要
金属纳米催化剂在实际反应条件下的表面原子扩散和迁移行为是其催化性能和结构稳定性的核心因素，而原子迁移行为的本质是由表面自由能主导的热力学倾向和反应环境调节的动力学过程共同决定的。本文以热力学和动力学驱动的原子尺度上的扩散和迁移行为作为统一机制的核心，系统阐述了金属纳米催化剂在动态环境中原子迁移、重构、团聚和烧结等现象在原子、介观和宏观尺度上的具体表现，并深入分析了原子级精确调控、纳米粒子组装和界面工程、宏观过程放大以及跨尺度表征和分析中的技术瓶颈和科学挑战。在此基础上，整合了每个尺度上针对原子迁移的调控策略，并指出了当前表征技术在动态监测和跨尺度相关性方面的不足。未来，我们需要重点关注精确合成的创新、动态结构稳定性的提升以及跨尺度协同设计和智能表征的整合。这将实现金属纳米催化剂的原子级可控设计和长期稳定运行，促进其在能源转换和环境治理等领域的工程应用。
引言
金属纳米催化剂作为现代催化科学技术的核心部分，在能源转换、环境保护和化学工业等领域发挥着不可替代的作用[[1], [2], [3]]。随着纳米科学和技术的快速发展，对金属催化剂的研究已经从传统的微米级颗粒逐渐发展到纳米颗粒和纳米簇，最终发展为原子分散的单原子催化剂（SACs），实现了金属原子利用率的最大化和催化性能的精确调控，大大提高了金属原子利用率和催化性能[[4], [5], [6]]。然而，在金属纳米催化剂从原子设计到宏观工业应用的发展过程中，它们仍面临一系列复杂的科学和技术挑战，如原子结构的动态不稳定性、跨尺度调控的难度以及大规模生产中的不一致性[7,8]。这些挑战的根源在于原子尺度上的扩散和迁移行为，其表现形式和调控难度随着尺度的变化而呈现出显著的层次性特征[9,10]（见图7）。
由于具有较高的比表面积和丰富的表面活性位点，金属纳米催化剂在各种催化反应中表现出优异的活性和选择性[[11], [12], [13]]。然而，这些优势伴随着显著的不稳定性问题。基于热力学系统向低自由能状态转变的固有趋势，金属原子具有自然的迁移和团聚倾向。反应温度、气氛、载体性质和制备过程等动力学因素决定了原子迁移的速率、路径和最终形态[[14], [15], [16]]。从尺度演化的角度来看，纳米颗粒阶段的表面原子数量显著增加。表面自由能的升高降低了原子迁移的障碍，导致表面原子重排、晶面重构和颗粒间原子迁移，从而容易引起团聚和烧结[17,18]。纳米簇阶段是一个关键的过渡状态，表现出非晶结构和晶体结构的共存特征。原子配位的饱和度增强，结构动态从颗粒间迁移转变为簇内原子重排和簇间融合。载体-簇界面的相互作用成为调控的核心[19,20]。SACs阶段实现了金属原子的孤立分散，原子利用率达到100%，但表面自由能达到峰值，孤立原子的迁移障碍最低。孤立原子容易发生表面扩散和成核团聚，从孤立状态转变为原子簇甚至纳米颗粒，这是催化剂失活的核心路径之一[21,22]。同时，在从小规模实验室制备到大规模工业生产的放大过程中，仍存在制备过程稳定性、质量控制一致性和成本效益等方面的挑战。
本研究以原子尺度上的原子扩散和迁移为核心，将内在的热力学倾向和外部动力学调控作为统一的机制框架，深入分析了从原子尺度到宏观加工层面金属纳米催化剂的关键挑战，包括原子级精确调控、纳米粒子组装和界面工程、宏观过程放大以及跨尺度研究方法等问题，并探讨了相应的解决方案和未来发展方向，旨在为高性能金属纳米催化剂的设计、制备和工业应用提供理论指导和技术支持。
章节摘录
动态环境中的原子结构稳定性
关于Ostwald熟化和颗粒团聚机制的经典研究首次系统阐述了金属纳米材料中原子迁移的核心热力学和动力学规律，为后续关于原子结构动态不稳定性的研究奠定了理论基础。金属纳米颗粒表面原子迁移能量障碍的计算模型进一步为原子扩散行为的定量调控提供了关键依据[23]
纳米粒子组装和界面工程的复杂性
原子级精确调控为金属纳米催化剂活性位点的设计提供了微观基础。然而，催化剂的实际性能不仅依赖于原子级的精确锚定和协同作用，还需要通过介观尺度结构组装和界面调控来实现原子迁移行为的长期稳定调控[51,52]。纳米颗粒的尺寸和形态优化、金属-载体界面的动态平衡等宏观过程放大和工业应用障碍
金属纳米催化剂从实验室研究向大规模工业应用的转化面临精确且低通量的实验室研究与大规模高通量工业生产之间的核心跨尺度不匹配问题。其本质在于工业尺度上的动力学条件变化，如反应条件不均匀、质量和热传递效率低以及反应器类型的适应性差，从而导致失败跨尺度研究方法和表征技术的局限性
金属纳米催化剂的性能由从原子到宏观尺度的多尺度结构共同决定，所有尺度上的结构变化都围绕原子尺度上的扩散和迁移展开。因此，跨尺度研究方法和表征技术的核心目标是实现原子迁移行为的动态监测以及跨尺度结构和性能的相关性分析。尽管目前已取得了一定的进展精确合成方法的创新
开发精确合成方法是解决金属纳米催化剂从原子到宏观加工层面问题的关键。未来的精确合成方法需要在保证效率、成本和环境友好的同时，实现从原子到宏观尺度的精确控制[[119], [120], [121], [122], [123], [124]]。未来精确合成方法的主要创新方向包括：1) 基于机器学习的智能合成策略。结论
本文重点关注金属纳米催化剂从原子设计到宏观工业应用的全链条要求，集中讨论了原子、介观和宏观尺度的核心挑战以及跨尺度表征和数据整合的技术短板。系统解决了原子迁移无序、纳米结构动态不稳定、大规模生产一致性不足以及建立困难等问题
CRediT作者贡献声明
孙玉瑶：撰写——原始草案、可视化、监督、调查、形式分析、概念化。索子静：软件开发、调查、形式分析、数据管理。刘志远：形式分析、数据管理。马博浩：形式分析、数据管理。赖建平：可视化、验证、监督、资源协调、项目管理、形式分析、概念化。王磊：监督、软件开发、资源协调、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（52272222）、泰山学者青年人才计划（tsqn201909114, tsqn201909123）和山东省高校青年创新团队（202201010318）的支持。
