纳米催化剂和单原子催化剂对于非均相催化都是至关重要的。它们被认为是两种不同类别的催化剂。然而，最近的理论工作表明，Au纳米颗粒/团簇在CO氧化中释放Au单原子，并且它们共同催化氧化。然而，迄今为止，既没有报道过助催化的实验证据，也没有直接观察到单原子催化剂的任何非均相催化过程。
有鉴于此，天津理工大学丁轶教授，罗俊教授，云南大学胡广志教授报道了通过具有高时空分辨率的原位透射电子显微镜研究纳米多孔金催化甲烷热解的动力学过程。
文章要点
1）在直流等离子增强化学气相沉积（dc-PECVD）中，使用NPG作为催化剂，在580°C下进行异位催化CH4热解反应。CH4，Ar和H2的流速分别为50、200和20 sccm（sccm是标准立方厘米每分钟），其腔室压力为5 mbar。
2）通过常规扫描电子显微镜（SEM）和TEM技术（包括扫描TEM（STEM）的高角度环形暗场（HAADF）成像）研究异位反应前后NPG的结构。NPG样品通过脱合金制备，具有双连续孔隙通道和韧带，样品的平均韧带尺寸约为50 nm。HRTEM图像 表明NPG样品具有标准的Au晶体结构，其韧带表面清洁。反应后，大多数孔变大，一些韧带变细，另一些则变粗，所有韧带的表面都产生了无定形碳，而韧带仍为金物种。
3）使用原位HRTEM表征了346°C下NPG上CH4热解反应的动态过程。原位表征发现，在两种类型的表面区域中，无定形碳的厚度均不断增加，这表明催化CH 4热解反应在表面连续发生。同时，两个NPG韧带的直径连续减小，表明它们的表面连续崩解，而残留韧带中的晶体结构仍为Au。变薄的NPG韧带的直径减小表明Au SAs的大量出现，是由于大量的Au原子从变薄的韧带表面释放出来，然后作为SAs分散在不定型碳层中。同时，粗化韧带的直径增加表明一些Au SAs回到了韧带上。
4）密度泛函理论（DFT）计算结果表明无定形碳中的C原子可以吸附在Au晶体的表面上，并且它们与晶体表面的相互作用将Au原子拉出了表面，从而导致Au SAs的形成。
Xi, W., Wang, K., Shen, Y. et al. Dynamic co-catalysis of Au single atoms and nanoporous Au for methane pyrolysis. Nat Commun 11, 1919 (2020).
DOI：10.1038/s41467-020-15806-8
https://doi.org/10.1038/s41467-020-15806-8
