催化转化过程中，催化材料活性中心金属的几何结构决定了反应物的吸附构型/强度、中间产物在表面迁移/反应以及产物的脱附能力。在原子尺度调节活性金属表面几何构型可以实现催化反应的精准控制，进而获得优异的催化性能。前期大量的研究结果表明，通过调节活性金属组分和载体之间的强结合能力，惰性金属合金化稀释活性金属在表面的分布，以及特定配位构型的金属配合物前体制备负载型催化剂等方式可以实现活性金属表面原子排布的调控。虽然这些活性原子组合结构已经表现出优异的性能，但是在不经过多步合成或使用复杂金属配合物前体的情况下，在原子尺度控制合成高度均匀且表面原子排布可控的催化剂仍存在巨大挑战。
金属间化合物因其原子高度有序的排布，理论上讲，在不同表面会表现出特异的活性金属原子排布结构，被广泛的应用到重要的催化反应中，如：选择性加氢、水煤气变换、一氧化碳氧化、烯烃环氧化和电催化氧还原反应等。PdGa纳米粒子作为一种典型的金属间化合物，其晶面（111）和（111）分别表现出分隔的Pd原子三聚体和单原子Pd结构。通过调控负载纳米粒子和载体之间的相互作用，实现金属间化合物纳米粒子具有特定的暴露面和表面原子排布，在理论上被认为是一种可行且简单有效的手段。但由于缺乏对金属间化合物形成和演变机制的理解，实现负载金属间化合物纳米粒子表面原子结构的精准调控仍存在挑战。特别地，活性金属纳米粒子的表面结构和它们所处的化学环境密切相关。在真实的反应条件下和结构表征时催化材料所处的化学环境存在较大差异，这将会对活性金属结构的解析带来误导，从而不能建立准确的“结构-性能”关系。因此在原位条件下，特别是耦合原位透射电子显微术和原位谱学等微观-宏观相结合的分析手段，研究催化剂结构的形成和演变是非常必要的。
沈阳材料科学国家研究中心张炳森研究员团队一直致力于固体催化剂的微观结构原位解析、设计及应用的工作。近日，基于该研究团队在负载型催化剂表界面结构解析及原位表征方面的相关研究工作（Nat. Commun. 2020, 11, 3324; Chem. Commun. 2020, 56, 6372; Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 4232; J. Phys. Chem. C 2021, 125, 20351-20359），张炳森研究员团队与中科院大连化学物理研究所刘岳峰副研究员团队、吉林大学张伟教授等合作，利用反应金属-载体相互作用（Reactive metal-support interaction, RMSI）成功调控Pd2Ga金属间化合物纳米粒子表面从连续的Pd原子三聚体（Pd3）向孤立的Pd单原子（Pd1）排布转变。通过原位透射电子显微镜、红外谱学等原位表征手段耦合和乙炔加氢模型反应，揭示了Pd2Ga纳米粒子暴露面/表面Pd原子排布变化及其与反应性能关系，并结合理论模拟阐明了其内在机制。该工作在原子尺度下揭示了通过RMSI作用实现金属间化合物表面原子排布进行有效调控的内在机制，将为化学环境诱导高效催化材料的设计提供新思路。相关研究成果近日以“Patterning the consecutive Pd3 to Pd1 on Pd2Ga surface via temperature-promoted reactive metal-support interaction”为题发表在Science Advances期刊上，论文的第一作者为牛一鸣副研究员和王永钊博士研究生。
该项工作得到了国家自然科学基金委（NSFC）国际合作研究项目、NSFC面上项目、NSFC重点项目、NSFC青年基金，中国博士后科学基金，辽宁省“兴辽英才计划”项目，及沈阳材料科学国家研究中心项目的支持。
图1. 反应金属-载体相互作用调控Pd2Ga金属间化合物纳米粒子催化剂形成。
图2. 原子尺度解析Pd2Ga金属间化合物纳米粒子微观结构。
图3. Pd2Ga纳米粒子升温条件下的形貌及表面钯原子排布演变。
图4. Pd2Ga纳米粒子形貌重构过程形貌和组分变化。
图5. 不同表面钯原子排布催化剂的乙炔加氢性能。
