优化能源结构,实现清洁能源高效可持续发展是我国重要战略之一。负载型金属催化剂在各类能源催化中占据重要一环,也因其优异的催化性能一直受到广泛关注。然而活性金属的烧结一直是负载型金属催化剂制备和应用过程中的棘手问题,因为烧结会让原本金属的结构形貌乃至颗粒尺寸发生较大改变,导致活性比表面积减少和催化性能衰退,显著降低负载型催化剂的催化效率和使用寿命。因此,抑制纳米金属的烧结长大是获得长期稳定催化剂的最大挑战。基于此,本文围绕催化剂合成和应用两个环节中出现的烧结问题展开研究,从烧结的机理本质出发,发展出两种抑制金属烧结的策略,并将他们进一步用于高温催化反应和金属间化合物（intermetallic compounds,简称IMCs）催化剂的高温制备中。本文主要内容如下:第一章详细介绍了烧结的理论基础和表征手段,并概述了近年来发展的抑制催化剂烧结的具体策略。第二章阐述了基于金属和硫掺杂碳（S-C）载体之间的强相互作用实现纳米团簇催化剂高温抗烧结。研究发现,S-C载体可以在高温700℃下强有力稳定～1nm金属团簇（Ru、Rh、Os、Ir,Pt）,展现出独特的抗烧结能力。准原位X-射线光电子能谱、同步辐射X-射线吸收谱等谱学表征证实金属和掺杂的硫元素之间存在化学键合作用,该键合作用直接增强金属和S-C载体的界面粘附能,有效抑制颗粒迁移聚集的发生;同时,粘附能的增强能够降低金属纳米团簇的表面化学势,从而减缓奥斯瓦尔德（Ostwald）熟化的发生。在催化高温丙烷脱氢反应中,所制备的Pt纳米团簇催化剂表现出优异的选择性和稳定性。谱学表征结合密度泛函理论（density functional theory,简称DFT）计算研究表明,金属和S-C载体之间强相互作用产生独特电子效应,促使S-C载体向Pt团簇的电荷补偿转移,导致Pt上的电子富集。受益于电荷排斥作用,丙烯能够在富电子Pt上快速脱附,进而有效避免了因为反应中间物种深度裂解形成积碳而导致的催化剂失活现象。第三章在第二章基础上进一步系统地探明了 Pt和S-C载体之间的一种特殊的高温下金属载体强相互作用（SMSI）状态,阐明了 Pt/S-C耐高温抗烧结的物理化学本质。研究发现,确实存在一种特殊的高温下碳诱导的SMSI状态,呈现出经典SMSI的三个特征,包括从S-C载体到Pt的电荷转移、碳载体的封装包覆和抑制H2/CO吸附。在300～1100℃的温度范围下,Pt-S之间强化学/电子相互作用在抑制颗粒迁移聚集和将颗粒尺寸限制在5nm以下方面发挥了关键作用;与此同时,在较高温度下形成的碳载体包覆有助于进一步降低颗粒之间的Ostwald熟化,减缓烧结。Pt和S-C之间的高温SMSI的发现可以扩展到其他金属和纳米结构碳载体,以实现在恶劣条件下的各种热催化和电催化应用的耐烧结催化剂。第四章以颗粒空间分布作为切入点,通过优化颗粒空间分布和量化颗粒间距,实现高温下金属烧结的抑制。研究表明,存在明显的抑制金属烧结的临界颗粒间距,可以实现高温900℃下的金属抗烧结。原位球差电镜研究发现存在颗粒距离依赖的烧结机制现象:在颗粒间距较小的催化剂中,颗粒相距较近,主要通过颗粒迁移聚集（PMC）机制发生烧结,并且聚集引起的粒径分布宽化会增加不同颗粒尺寸和表面能的差异,从而加剧颗粒Ostwald熟化;而在颗粒间距较大的催化剂中,颗粒相距较远,PMC机制在很大程度上抑制,同时Ostwald熟化也会减缓。通过搭建烧结理论模型,进一步定量化抑制催化剂高温烧结的临界颗粒距离,发现该临界距离由SMSI的强度所决定,同时可以实现对于给定催化剂载体的烧结极限载量预测。调控颗粒间距的概念也在高温丙烷脱氢反应中得到体现,临界颗粒间距内的金属催化剂展现出更加优异的高温催化稳定性。第五章借助第三章阐明的SMSI策略,进一步针对需要在高温下合成的原子有序金属间化合物展开合成方法学探索,成功实现10种小尺寸Rh基IMC的合成。高温下无序合金纳米颗粒的退火处理对于IMC物相的形成十分必要,但是高温退火不可避免地导致金属纳米颗粒发生严重的烧结,因此小尺寸IMC的合成变得十分具有挑战性。凭借金属和S-C之间的SMSI作用,促进有序相形成的同时成功抑制颗粒烧结。制备的小尺寸RhSb-IMC在催化功能化硝基芳烃的选择性氢化方面,因其独特的几何和电子结构,抑制过度氢化,从而增强活性和选择性。这种SMSI合成策略可以延伸到合成其他金属组分的小尺寸IMC纳米颗粒,为各种多相和电催化过程提供有价值的催化剂。第六章则在第四章提出的临界颗粒间距策略的基础上,提出一种更为经济且可扩展的方法,通过合理调节颗粒间距离,凭借简单浸渍即可实现18种小尺寸铂基IMC纳米颗粒的通用合成。得益于IMC的高本征活性和小尺寸带来的高活性面积,铂基IMC催化剂在实际燃料电池中表现出优异的性能,包括高质量活性（1.3～1.8 AmgPt-1）,氢空气燃料电池中的高峰值功率密度（1.2～1.4 Wcm-2）,优异额定功率密度（～1 Wcm-2）,超高铂利用率（～0.07gkW-1）,以及在30000圈方波加速耐久试验后的优越稳定性,均超过了美国能源部设定的2025年燃料电池性能目标。临界颗粒间距策略的成功,也将激发未来通过高温退火合成其他多元原子有序合金纳米颗粒催化剂的工作。