说明：纳米颗粒是当前催化研究与工业应用的核心焦点。本文介绍了纳米颗粒的定义、核心特性、类型和相关公式，重点说明了纳米颗粒团聚和分散的原因。
纳米颗粒（Nanoparticles, NPs）是催化领域的核心材料，指粒径介于 1-100 nm 之间、具有独特物理化学性质的金属或合金颗粒。
其尺寸处于原子簇与宏观块体材料之间，既保留了金属的基本特性，又因量子尺寸效应、高比表面积和丰富的表面活性位点，展现出远超传统催化剂的催化性能。
单原子、纳米簇与纳米颗粒的几何与电子结构对比。DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00776
其核心特性是量子尺寸效应和表面效应，当材料尺寸进入该区间时，传统连续介质理论将失效。
量子尺寸效应即当粒径小于 10 nm 时，金属的连续能带结构分裂为离散能级，导致电子性质改变，如 Au 纳米颗粒（2-5 nm）在 CO氧化中展现的低温活性，源于其 d 带中心位置的偏移。
表面效应指的是纳米颗粒的表面原子占比随粒径减小急剧增加，如 5 nm 的 Pt 颗粒表面原子占比约 50%，这些表面原子因配位不饱和性成为催化活性位点。
CeO?负载 Pt 颗粒的电荷转移与电子金属 - 载体相互作用（EMSI）。DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00776
根据化学组成，纳米颗粒可分为无机与有机两大类，其中最具代表性的为金属纳米颗粒、金属氧化物纳米颗粒、聚合物纳米颗粒。
（1）金属纳米颗粒（Metal NPs）主要包括金、银、铜、铁、及其合金或复合物。其最显著的特征是表面等离子体共振（SPR）效应，赋予其独特的光学、电学及催化性能。
（2）金属氧化物纳米颗粒（Metal Oxide NPs）?的典型代表包括SiO?、ZnO、TiO?、CuO、Fe?O?等。这类材料因可调控的带隙结构与表面化学活性而备受关注。
不同载体上 Ag 颗粒的吸附热与焓变。DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00776
（3）聚合物纳米颗粒（Polymer NPs）?由天然或合成高分子材料制备，常见体系包括聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）、聚乙二醇（PEG）等。它的核心优势在于生物相容性、可降解性及可控的药物包封与释放能力，这使其成为药物递送载体的首选。通过调节聚合物分子量与组成，可精确控制颗粒尺寸、表面电荷及降解速率。
此外，碳基纳米材料（如石墨烯、碳纳米管）和量子点（Quantum Dots）作为功能化纳米颗粒，也在特定领域展现独特价值。
Pd 单原子与 Pd 纳米颗粒的反应机制。DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00776
纳米颗粒最创新性的特征在于表面积与体积比（SA / V）?的数量级跃升。对于球形颗粒，当粒径从毫米级（1 mm）降至纳米级（10 nm）时，SA / V从约102 m?1激增到10? m?1。
这种极端的表面富集效应导致表面能主导材料整体行为、化学活性显著增强、物理吸附能力大幅改善。
Pt 纳米颗粒的形状与 2 - 丙醇氧化活性。DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00776
纳米颗粒的定量描述需依赖精确的几何与物理公式。
1）以球形颗粒为例，纳米颗粒的基本几何参数为：
表面积的表达式为
；体积的表达式为
；比表面积的表达式为
。
对于非球形颗粒，公式需要修正为：
立方体（边长a）的公式是
；棒状颗粒（圆柱体，长度L，半径r）的公式是
；片状颗粒（厚度t，半径R）的公式是
。
ZnO-Au 复合体系的电荷转移与光催化性能，揭示了金属颗粒尺寸通过调控电荷转移效率影响光催化性能的机制。DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00776
2）表面电荷与Zeta电位
Zeta电位（ζ）通过测量电泳迁移率（μe）获得，其关系由Smoluchowski方程（稀溶液极限）描述：
。
其中η为介质黏度，ε为介电常数。
三种 Fe-N-C 催化剂（含不同比例 Fe-N?单原子与 Fe/FeC?纳米颗粒）的 Fe-N?含量与 ORR 活性的关系。DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00776
催化中，纳米颗粒的团聚与分散状态直接决定其催化活性、选择性和稳定性。这种状态差异的本质是热力学驱动的表面能降低趋势与动力学调控的界面相互作用之间的博弈。
纳米颗粒团聚是体系自发降低能量的过程，其本质是表面能过高导致的热力学不稳定性，具体可通过热力学、动力学和载体特性三个维度的驱动力进行解释。
纳米颗粒的比表面积随粒径减小呈指数级增加，而表面原子因配位不饱和，具有极高的表面自由能。根据热力学最小能量原理，体系会通过颗粒间的相互作用减少暴露的表面原子，从而降低总能量。
纳米颗粒在胶体体系中的团聚行为由多种力的平衡决定，这里主要介绍范德华吸引力和金属键重构。
Ru/Al?O?催化剂在 CO?加氢中的结构演变与性能。证实 Ru 单原子在反应中会团聚为簇 / 纳米颗粒。DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00776
范德华力源于瞬时偶极矩的量子涨落，是所有中性颗粒间普遍存在的吸引力。其势能随距离呈幂律衰减，是团聚的最根本驱动力，尤其在惰性载体表面，因载体与颗粒间相互作用弱，颗粒易通过范德华力团聚。
例如SiO?负载的 Au 纳米颗粒（<2 nm）在室温下即可缓慢团聚，而 CeO?负载的 Au 颗粒因强金属-载体相互作用（SMSI），团聚速率显著降低。
金属间化合物纳米颗粒的烯烃异构化选择性。DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00776
此外，在还原氛围或高温条件下，纳米颗粒表面原子的迁移能力增强，会通过金属键连接形成更大颗粒。
比如Pd 纳米颗粒在 CO/NO 循环反应中，因 CO 吸附导致表面原子活化，100℃下即可观察到颗粒从 5 nm 团聚为 20 nm 以上，活性下降 80%。
Pd 物种（Pd 配合物、Pd 簇、Pd 纳米颗粒）在反应中的动态演变。DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00776
热力学驱动的团聚需要通过动力学过程实现，制备工艺、反应氛围、载体特性等外部条件会显著加速这一过程。
在制备过程中，溶液相合成时溶剂挥发或干燥过程产生的毛细管力，会使颗粒间距离缩小至范德华力作用范围（<10 nm），导致硬团聚。另外，还原过程时还原剂过量会导致金属离子快速还原，形成的纳米颗粒因成核速率远大于生长速率，易发生团聚。
同时，高温反应会使纳米颗粒表面原子扩散系数显著增加，引发 Ostwald 熟化（小颗粒溶解并沉积到大颗粒表面）。反应氛围中的极性分子会削弱金属-载体相互作用，加速颗粒团聚。
金属颗粒烧结过程的 Ostwald 熟化与迁移聚结模型。DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00776
载体对纳米颗粒的分散状态起关键调控作用，惰性载体因缺乏与金属颗粒的强相互作用，难以抑制团聚。
例如SiO?、Al?O?等载体表面羟基密度低，与金属颗粒的相互作用仅为弱静电作用，无法有效限制颗粒迁移。而载体表面缺陷（如 O 空位、晶格畸变）可通过强吸附作用锚定纳米颗粒，若缺陷密度不足，锚定位点减少，颗粒易团聚。
(a) 为 TiO?(110) 负载 Au 纳米颗粒的 CO 氧化活性，2 nm Au 颗粒活性最高；(b) 为 Mo (112)-(8×2)-TiO?负载 Au 膜的活性，双层 Au 膜活性远高于单层与纳米颗粒。DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00776
部分反应会通过改变纳米颗粒的化学状态，间接促进团聚。比如在 CO 氧化、NO 还原等反应中，金属颗粒会经历氧化，形成金属氧化物氧化-还原（恢复金属态）循环，这一过程中颗粒的晶体结构易重构，导致颗粒融合。
再比如反应产物（如 H?O、CO?）吸附在纳米颗粒表面，会削弱金属-载体相互作用，导致表面活化，诱导颗粒团聚。
如H?O 吸附在 Pt/CeO?表面时，会与 CeO?的表面羟基形成氢键，减少 Pt 与 CeO?的电子转移，使 Pt 颗粒更易团聚。
Pd 纳米颗粒的苯甲醇氧化活性。DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00776要实现纳米颗粒的稳定分散，核心是通过增强颗粒与载体的相互作用、调控颗粒尺寸与分布、优化外部环境，从热力学和动力学层面抑制团聚。.
载体是抑制团聚的核心 “支架”，通过在载体表面构建特异性锚定位点，可增强金属-载体相互作用，限制颗粒迁移。
研究者可在载体表面引入 O 空位、晶格畸变等缺陷，通过电子转移或几何配位稳定纳米颗粒。例如Fe?O?(001) 晶面的 “窄中空位点”（由 Fe 原子有序排列形成），可通过 Fe-Au 键稳定 Au 纳米颗粒（<1 nm），即使在 500℃空气焙烧后，Au 颗粒粒径仍可保持在 2 nm 以下。
CeO?负载金属纳米颗粒的活性位点分布。DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00776
此外，研究人员还可以在载体表面接枝胺基（-NH?）、硫醇基（-SH）等功能基团，通过配位锚定纳米颗粒。例如 N 掺杂碳载体（N-C）表面的吡啶 N 和吡咯 N，可与 Pt 原子形成强配位键，使 Pt 纳米颗粒（1-2 nm）在 800℃下仍保持分散。
需要注意的是，载体可能存在 SMSI 效应，即TiO?、CeO?、FeO?等载体在还原条件下，会向金属颗粒转移电子并形成界面金属 - 氧键，从而 “固定” 纳米颗粒。
FeO 修饰 Pt 纳米颗粒的 CO-PROX 性能。DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00776
研究人员通过合成方法调控纳米颗粒的粒径、分布和晶体结构，可从源头降低团聚风险。
例如采用原子层沉积（ALD）、胶体化学法等精准合成技术，控制纳米颗粒的粒径偏差 < 20%，减少因尺寸差异导致的 Ostwald 熟化（小颗粒溶解并沉积到小颗粒表面）。
或者调控形成双金属合金（如 PtNi、AuPd）/核壳结构（如 Pt@Pd、Au@Ag），通过原子间的电子效应和几何效应增强结构稳定性。
另外，通过控制纳米颗粒的晶体形貌（如立方体、八面体），暴露高稳定性晶面，减少表面原子的迁移能力，从而实现纳米颗粒的分散。
Au-Pd 双金属纳米结构的葡萄糖氧化性能。DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00776
通过调控反应氛围、添加助剂、优化反应器设计等外部条件，可减缓团聚的动力学过程。
例如在反应体系中引入惰性气体（如 N?、Ar）或弱吸附性分子（如 H?O），可削弱反应物（如 CO、O?）对纳米颗粒表面的活化作用。
Ag 纳米颗粒在锰氧化物中的分散与结构，证明了高温焙烧可使 Ag 纳米颗粒重新分散为单原子。DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00776
另一种做法是加入少量金属氧化物助剂（如 La?O?、ZrO?）或有机配体，可在纳米颗粒表面形成保护层，阻止颗粒间直接接触。例如在 Pd/Al?O?中添加 1% La?O?，La?O?会优先吸附在 Pd 颗粒表面缺陷位点，形成 La-O-Pd 键，抑制 Pd 原子迁移，团聚率从 60% 降至20%。
配体修饰金属纳米颗粒的加氢选择性。DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00776
还有一种方式是采用流化床或微通道反应器，通过增强传质效率减少局部高温区，避免因温度梯度导致的颗粒烧结，从而抑制颗粒团聚。
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