全新的晶面选择性原子层沉积的发现及其应用

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2017-05-16 19:05:17 作者: 所属分类:学术动态, 科研亮点 阅读:445

铂纳米颗粒催化剂在汽车尾气处理,合成气重整反应,燃料电池电极材料等方面具有重要作用。铂纳米颗粒的化学性质稳定,但是在高温工作环境中,单分散铂纳米颗粒容易团聚形成大尺寸颗粒,从而减少铂催化剂的整体表面积与活性位点导致催化活性大幅度降低。为发挥铂纳米颗粒催化剂发挥长期使用稳定性,需要提供物理隔离层对纳米颗粒进行限域。近年来,虽然有许多用ALD包覆贵金属的相关研究,但是或者缺少选择性导致活性位点被覆盖,或者需要通过有机基团来钝化表面,容易形成污染,不利于界面的形成。

华中科技大学陈蓉教授和单斌教授近期提出了一种全新的原子层沉积(ALD)生长模式:晶面选择性原子层沉积,并且将之用于构建纳米栅栏式氧化物包覆催化剂的新构型,用于稳定铂纳米颗粒。团队提出了基于晶面选择性原子层沉积方法,选用氧化铈为包覆层,在生长初期,氧化铈将优先在铂纳米颗粒特定晶面进行吸附生长(Pt(111)晶面),而暴露对于一氧化碳氧化的催化反应活性面从而自然形成一种的纳米栅栏结构。经过原位表面质量变化测试结合基于密度泛函的理论计算,证实这种晶面选择性生长源于铈源前驱体在铂(111)和铂(100)晶面的化学吸附结合能差异。该方法成功的关键在于精细调控氧化铈的包覆层结构,因为过厚或连续的包覆都将导致铂表面活性位点被完全覆盖而失去活性。相关催化性能测试表明纳米栅栏包覆型铂催化剂在提高一氧化碳氧化活性的同时,能够在700摄氏度高温的条件下保持铂纳米颗粒的粒径分布与催化性能的稳定性。

此项研究由曹坤博士作为第一作者完成,成果发表于Wiley旗下微纳米领域权威期刊《Small》,先进材料设计实验室相关的选择性原子层沉积法开发新型催化剂的一系列前期研究成果还发表在Angew. Chem. Int. Ed, 2017, 56, 1648; ChemCatChem, 2016, 8, 326; Sci. Rep. 2015, 5, 8470等期刊上,并获得国家专利授权ZL201410400714.1。本研究工作得到了国家重大科学研究计划青年专项基金(高效金属-氧化物复合催化剂的理性设计与性能调控,2013CB934801)的大力支持。

基于前驱体吸附能差异形成晶面选择性包覆生长的纳米栅栏包覆结构