动态金属-支撑相互作用决定 Cu 纳米粒子在 Al$_2$O$_3$ 表面的烙合

纳米粒子烙合是异构催化中的关键挑战之一。本文构建了一个统一的深度潜在（DP）模型，用于模拟 Cu 纳米粒子在三个 Al$_2$O$_3$ 表面（$\gamma$-Al$_2$O$_3$(100)、$\gamma$-Al$_2$O$_3$(110) 和 $\alpha$-Al$_2$O$_3$(0001)）上的行为。利用 DP 加速的模拟，我们揭示了在这三个表面上呈现出惊人的面依赖的纳米粒子稳定性和可移动性模式。在 800 K 时，$\alpha$-Al$_2$O$_3$(0001) 上的纳米粒子扩散速度远快于 $\gamma$-Al$_2$O$_3$(100)，尽管在 0 K 时其较大的结合能预期其会更迟缓。通过动态金属-支撑相互作用（MSI），Al 原子会脱离表面平面以优化与纳米粒子的接触，并在纳米粒子移动离开后回到平面，从而促进了扩散。相比之下，$\gamma$-Al$_2$O$_3$(100) 和 $\gamma$-Al$_2$O$_3$(110) 上的 MSI 主要由更稳定且方向性的 Cu-O 键主导，与这些表面上有限扩散现象相符。我们的长期 MD 模拟提供了定量的烙合过程见解，表明纳米粒子的分散性（即最初的纳米粒子间距离）对由纳米粒子扩散驱动的聚集具有强烈影响。我们观察到，在 800 K 时，即使初始纳米粒子间距离增加到 30 Å，$\alpha$-Al$_2$O$_3$(0001) 上 Cu$_{13}$ 纳米粒子的聚集也能在短时间（10 ns）内完成，而在 $\gamma$-Al$_2$O$_3$(100) 上，随着初始纳米粒子间距离从 15 Å 增加到 30 Å，聚集被显著抑制。这些发现表明，支撑表面的动力学对理解烙合机制至关重要，并为通过工程支撑形貌来设计抗烙合催化剂提供了指导。