鉑納米顆粒的精細“外科手術”—選擇性原子層沉積方法

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2018-12-19 09:12:11 作者: 所屬分類:學術動態, 科研亮點 閱讀:852

鉑納米顆粒以其大比表面積和高活性廣泛應用于廢氣催化、光催化、燃料電池等領域,然而在高溫、高壓等苛刻的工作環境下,納米顆粒易燒結或長大而導致失活。原子層沉積方法(ALD)以其包覆均勻性和厚度精確可控等優勢,可用于鉑的包覆提高其穩定性,然而均勻包覆會導致其表面活性位點的消失,使得催化性能大幅度下降。如何對納米顆粒的表面進行精細操控,兼顧催化劑的穩定性與活性,對傳統的ALD技術提出了挑戰。

華中科技大學微納材料設計與制造研究中心單斌教授與陳蓉教授合作,發展了密度泛函理論耦合微動力學方法,首次從理論上揭示了二茂基過渡金屬前驅體(MCp2,M=Fe,Co,Ni)在鉑納米顆粒各晶面的生長機理,并預測了這一類前驅體在鉑納米顆粒表面各位點生長的活性差異。研究中心的文艷偉副教授為論文第一作者。研究結果表明由于鉑納米顆粒晶面的各向異性,三類MCp2前驅體在納米晶表面的吸附與動力學反應路徑具有自然選擇性順序:棱邊>(100)>(111)(圖1),這一預測得到了ALD實驗包覆樣品的紅外吸附信號證實。這意味著我們可以使用ALD定向包覆技術提高納米結構穩定性,同時保持表面的活性位點,在能源及催化領域有著巨大的應用潛力。該工作還系統地預測了這三種前驅體活性順序以及溫度對選擇性的影響,結果表明隨著ALD溫度的增加,前驅體在納米顆粒表面的選擇性會受到抑制,其中FeCp2可以在較大的溫度區間保持明顯的選擇性。研究中心后續將系統地運用該理論研究不同金屬、不同配體前驅體在各種基底種類上的生長預測,建立納米結構選擇性包覆的理論模型,為納米材料的精細結構調控提供理論基礎和方法指導。

此項研究由華中科技大學微納材料設計與制造研究中心計算與催化小組合作完成,充分顯示了中心在理論與實驗研究方向的深度融合,成果以“Edge selective growth of MCp2 (M=Fe,Co,Ni) precursors on Pt nanoparticles in atomic layer deposition: a combined theoretical and experimental study”為題發表于國際材料化學的權威期刊Chemistry of Materials(DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b03168),本研究工作得到了國家自然科學基金(51702106, 51835005, 51871103)和材料學院“優材計劃”的資助。

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