六足虫纳米钙钛矿制备示意图

近日，发表在《自然—通讯》的文章介绍了新南威尔士大学Rose Amal，Hamid Arandiyan，Sean Smith与北京工业大学戴洪兴教授的合作研究，报道了一种三维再组装六足虫纳米介孔钙钛矿催化剂（La_0.6Sr_0.4MnO₃, LSMO），将三维有序大孔镧基钙钛矿结构用超声离心法断裂再组装成六足虫纳米介孔催化剂，该催化剂在断面暴露出的（001）晶面比LSMO常规暴露的（110）晶面对甲烷催化氧化具有更高的催化活性。

过渡金属氧化物替代贵金属负载型催化剂氧化甲烷的研究一直是热点问题。目前商业化的贵金属催化剂（Pt和Pd）存在成本高且热稳定性差（贵金属颗粒高温团聚失活）等缺点。钙钛矿型催化剂（ABO₃）作为一种混合型氧化物，由于其特殊的晶体结构，具有优秀的催化稳定性。作为高效催化剂，钙钛矿的研究关键在于如何提高其催化性能，使得甲烷能够在较低温度下完全氧化。

该研究指出，相比三维大孔LSMO六足虫纳米介孔LSMO钙钛矿的比表面积有所提高，然而通过计算单位表面积催化剂的反应速率发现高比表面积并不是催化剂活性提高的决定性因素。作者通过高分辨透射电镜发现，六足虫纳米颗粒的断裂面出现新的晶面（001）暴露。因此，作者利用DFT计算研究了三维大孔LSMO表面的常规暴露晶面（110）和六足虫纳米介孔LSMO表面新暴露晶面（001）对甲烷分子中碳氢键（C-H）的断裂，以及这两种晶面对氧气分子的吸附和活化，发现新暴露晶面（110）需要更低的能量断裂C-H键。由此可以通过断裂再组装LSMO钙钛矿，暴露新活性晶面（110），提高材料的催化反应速率并降低表面活化能（Ea从102 kJ mol^-1降低到67 kJ mol^-1）。（来源：科学网）