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研究背景

金属纳米粒子催化剂是一类重要的功能材料，因其优异的催化活性和选择性，被广泛应用于石油化工、能源转化和环境治理等领域。与传统的块体催化剂相比，金属纳米催化剂具有较高的比表面积和丰富的活性位点，能够在较低温度下实现高效催化反应。然而，金属纳米粒子在实际反应环境中往往会经历动态结构变化，可能导致催化活性和稳定性下降，从而带来了催化剂寿命管理和反应器优化的挑战。

成果简介

为此，浙江大学肖丰收&王亮团队在Nature Chemical Engineering期刊上发表了题为“Managing dynamic catalyst changes to upgrade reactors and reaction processes”的最新评述文章。

该团队总结了当前工业过程中负载型金属催化剂及其相应反应器的特征动力学行为，并探讨了通过控制反应环境和金属-载体相互作用来实现金属催化剂可编程变化的策略。利用这些调控方法，研究人员发现了催化剂在不同反应条件下的动态演变规律，并提出了优化催化剂结构以提升催化效率的路径。

研究发现，这些技术可有效提升催化剂的稳定性和选择性，为反应器和反应路线的升级提供了新途径，有望提高化学生产效率并简化工艺流程。此外，该研究还强调了将催化剂的原子尺度结构演变与工业规模反应器设计相结合的重要性，为未来催化剂的智能调控和工业应用奠定了理论基础。

研究亮点

(1) 本文总结了当前工业过程中负载型金属催化剂及其对应反应器的特征动态行为，探讨了金属催化剂在化学环境中经历的动态结构变化，以及这些变化对反应过程和反应器升级的影响。

(2) 研究通过控制反应环境和金属-载体相互作用，探索了金属催化剂可编程变化的最新进展。结果表明，这些调控策略能够优化催化剂性能，提高反应效率，并简化生产流程。

（3）研究指出，升级现有反应器的需求对催化剂动态结构变化的管理提出了更高要求，强调了从原子尺度调控催化剂结构到工业规模反应器应用之间的联系，为催化与反应工程的进一步发展提供了新的思路。

图文解读

图1:潜在动态催化剂结构变化的概念性概述。

图2:催化剂金属尺寸变化以及其反应器和工艺设计。

图3:分批反应器中，金属浸提以及其反应器和工艺设计。

图4:具有缓和反应器和工艺设计的固定床反应器中金属浸提。

图5:催化剂改造和适应反应器和工艺设计。

结论展望

本研究强调了金属纳米粒子催化剂在反应环境中的动态结构变化，并探讨了如何利用这些变化来优化工业催化过程。这一视角为催化剂设计提供了新的思路，即通过精准调控金属-载体相互作用和反应条件，使催化剂具备可编程的结构演变能力，从而提升反应效率并简化生产工艺。此外，研究指出，传统催化剂设计往往关注静态结构，而动态结构变化在工业反应器升级中同样至关重要。因此，未来的催化研究应更关注原子尺度结构变化与宏观工业应用之间的联系，从基础机制研究到实际工程应用，推动催化体系向更高效、智能化方向发展。这一研究不仅为新型催化剂的开发提供了理论支持，还为现有工业反应器的优化提供了技术路径，有望促进绿色化学和可持续制造的发展。

文献信息

Wang, H., Wu, Y., Luo, Q. et al. Managing dynamic catalyst changes to upgrade reactors and reaction processes. Nat Chem Eng (2025). https://doi.org/10.1038/s44286-025-00199-6

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