铂纳米颗粒的精细“外科手术”—选择性原子层沉积方法

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2018-12-19 09:12:11 作者: 所属分类:学术动态, 科研亮点 阅读:208

铂纳米颗粒以其大比表面积和高活性广泛应用于废气催化、光催化、燃料电池等领域,然而在高温、高压等苛刻的工作环境下,纳米颗粒易烧结或长大而导致失活。原子层沉积方法(ALD)以其包覆均匀性和厚度精确可控等优势,可用于铂的包覆提高其稳定性,然而均匀包覆会导致其表面活性位点的消失,使得催化性能大幅度下降。如何对纳米颗粒的表面进行精细操控,兼顾催化剂的稳定性与活性,对传统的ALD技术提出了挑战。

华中科技大学微纳材料设计与制造研究中心单斌教授与陈蓉教授合作,发展了密度泛函理论耦合微动力学方法,首次从理论上揭示了二茂基过渡金属前驱体(MCp2,M=Fe,Co,Ni)在铂纳米颗粒各晶面的生长机理,并预测了这一类前驱体在铂纳米颗粒表面各位点生长的活性差异。研究中心的文艳伟副教授为论文第一作者。研究结果表明由于铂纳米颗粒晶面的各向异性,三类MCp2前驱体在纳米晶表面的吸附与动力学反应路径具有自然选择性顺序:棱边>(100)>(111)(图1),这一预测得到了ALD实验包覆样品的红外吸附信号证实。这意味着我们可以使用ALD定向包覆技术提高纳米结构稳定性,同时保持表面的活性位点,在能源及催化领域有着巨大的应用潜力。该工作还系统地预测了这三种前驱体活性顺序以及温度对选择性的影响,结果表明随着ALD温度的增加,前驱体在纳米颗粒表面的选择性会受到抑制,其中FeCp2可以在较大的温度区间保持明显的选择性。研究中心后续将系统地运用该理论研究不同金属、不同配体前驱体在各种基底种类上的生长预测,建立纳米结构选择性包覆的理论模型,为纳米材料的精细结构调控提供理论基础和方法指导。

此项研究由华中科技大学微纳材料设计与制造研究中心计算与催化小组合作完成,充分显示了中心在理论与实验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”为题发表于国际材料化学的权威期刊Chemistry of Materials(DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b03168),本研究工作得到了国家自然科学基金(51702106, 51835005, 51871103)和材料学院“优材计划”的资助。