金属-载体强相互作用（SMSI）是催化学界的经典现象，但其由吸附质介导的新变体（A-SMSI）的形成机制与调控手段一直是未解之谜。近日，浙江大学严建华教授/张浩研究员团队联合王勇教授/袁文涛研究员团队通过构建具有不同暴露晶面的Ni/TiO2模型催化剂，首次在原子尺度下直接观测并揭示了A-SMSI的晶面依赖性行为。研究发现，这种差异化的界面封装直接“导演”了二氧化碳加氢反应的选择性，成功实现了对产物（甲烷或一氧化碳）的精准调控。该工作为理性设计催化剂提供了全新的理论框架和直观的实验证据。
在多相催化中，金属纳米颗粒与氧化物载体之间的SMSI能显著改变催化剂的活性和选择性。近年来，一种由反应吸附质（而非传统的高温还原）诱导的SMSI模式（即A-SMSI）在多种催化体系中被发现，其重要性日益凸显。然而，A-SMSI究竟如何形成？能否以及如何精确地调控它？这些问题由于缺乏在反应条件下、原子级别的直接观测证据，其机理一直笼罩在迷雾之中。理解并掌控这一现象，是设计下一代“按需定制”催化剂的关键。
为攻克这一难题，研究团队精准制备了三种暴露主要晶面分别为{001}、{100}和{101}的二氧化钛载体，并负载了镍纳米颗粒，构建了理想的模型催化体系。
图1. 合成暴露不同晶面Ni/TiO2催化剂
首次直接可视化“晶面依赖性”A-SMSI行为：利用原位环境透射电镜，团队在CO2加氢反应气氛中，实时观测到截然不同的界面演化景象：在TiO2-{100}晶面上，Ni颗粒被TiO2-x覆盖层完全封装；在{101}晶面上为部分封装；而在{001}晶面上则没有封装。这为“晶面如何导演催化界面”提供了最直接的视觉证据。
图2. Ni/TiO2催化剂在CO2/H2下的结构演变
揭示“双重诱导”微观机制：结合原位红外、X射线吸收谱和理论计算，研究揭示了吸附质（甲酸盐物种）在A-SMSI形成中的双重角色：既参与还原TiO2形成覆盖层，又像“稳定剂”一样稳定该覆盖层。覆盖层形成后，会向Ni转移电子，并为关键的反应中间体COOH*提供合适的吸附位点，从而深刻影响反应路径。
图3. 金属载体强相互作用形成机理揭示
图4. 金属载体强相互作用的电子转移机制
实现催化选择性的精准“导演”：上述微观机制的差异，直接决定了宏观反应产物的走向。得益于截然不同的界面结构：Ni/TiO2-{001}催化剂对甲烷的选择性超过88%，而Ni/TiO2-{100}催化剂对一氧化碳的选择性则超过83%。这首次清晰地证明了通过设计载体晶面来调控A-SMSI，进而实现产物选择性反转的完整逻辑链条。
图5. 三种催化剂的CO2加氢性能测试
这项研究不仅仅是对一个经典催化现象的深入观测，更是提供了一种强大的催化剂设计范式。它所揭示的晶面依赖规律和吸附质介导机制，为能源化工、环境催化等领域中氧化物负载型催化剂的设计提供了新的理论指导。通过理性选择载体形貌与反应氛围，可以主动“设计”出理想的金属-载体界面，从而获得不同特性的催化材料。这一成果近期发表在Nature Communications上，文章的第一作者是浙江大学硕士研究生高李泊廷、张浩研究员和隆颜徽博士后。
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Facet-dependent adsorbate-mediated strong metal-support interaction in Ni/TiO2
Liboting Gao, Hao Zhang, Yanhui Long, Fangwen Yang, Zijiang Zhao, Zhongkang Han, Rui Tang, Yilin Zhang, Xiaosong An, Xiaodong Li, Wentao Yuan, Yong Wang, Jianhua Yan
Nat. Commun., 2025, DOI: 10.1038/s41467-025-67727-z
通讯作者简介
严建华，浙江大学能源工程学院教授，长江学者奖励计划特聘教授，能源高效清洁利用全国重点实验室主任、固废能源化清洁利用技术与装备国家工程研究中心主任、国际废弃物能源化利用理事会主席、973项目首席科学家、国家自然科学基金创新群体负责人、浙江省特级专家、第二届全国创新争先奖获得者。现任浙江大学发展委员会副主席、中国动力工程学会副理事长、中国工程热物理学会常务理事、全国工程专业学位研究生教育指导委员会副主任委员、内蒙古大青山实验室主任等职。长期从事废弃物能源化绿色利用的理论、技术与装备研究，获国家科技进步二等奖3项（2项排1，1项排2）、国家科技进步一等奖（创新团队）1项（排2）、中国专利金奖1项（排1）、国家技术发明二等奖1项，以及国家级教学成果一等奖2项和二等奖1项（均排1）。
https://www.x-mol.com/university/faculty/422871
王勇，浙江大学材料学院教授，国家杰出青年基金获得者，求是特聘教授，现任浙江大学实验室与设备管理处处长、浙江大学电镜中心主任。主持澳大利亚研究基金委、国家自然科学基金委重大项目子课题/面上/重大研究计划培育项目和浙江省杰出青年基金等项目，在Science （×3）、Nature Materials和Nature Nanotechnology（×3）等期刊发表SCI论文180余篇。2013年获香港求是科技基金会“求是杰出青年学者奖”，2020年获国家杰出青年基金。
https://www.x-mol.com/university/faculty/49996
袁文涛，浙江大学材料学院“百人计划”研究员，国家优秀青年基金获得者，浙江省杰出青年基金获得者。在Science、Angew. Chem.、ACS Catal.、Nano Lett.等著名期刊发表SCI论文60余篇。担任国家重点研发计划青年科学家项目首席科学家，主持国家自然科学基金优青项目、面上项目、青年项目、中央高校基本科研业务费专项和中国博士后科学基金等多项科研项目；获得浙江省自然科学一等奖（2/5）、全国电子显微镜学会优秀青年学者奖、国际材料联合会“前沿材料青年科学家奖”等奖项。
https://www.x-mol.com/university/faculty/419181
张浩，浙江大学能源工程学院特聘研究员，德国洪堡学者，浙江省杰出青年基金获得者。长期从事CO2和有机固废高值化利用、绿色燃料合成等研究，近年来在Nature Communications、JACS Au、Appl. Catal. B和ACS Catal.等期刊发表论文90余篇。主持国家重点研发计划政府间国际合作项目、国家自然科学基金重点项目课题/面上/青年项目、国家重点研发计划子课题和内蒙古科技突围工程课题等国家和省部级项目20余项。
https://www.x-mol.com/university/faculty/422922
严建华、张浩课题组招收二氧化碳高值利用、绿色燃料合成、有机固废资源化利用和燃烧化学等方向的专职研究员和博士后，并支持申报浙江大学求是博士后（点击阅读详细）。
联系方式：zhang_hao@zju.edu.cn
