Ni纳米材料晶相结构调控研究新进展

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发布时间:2021-08-31 浏览次数:1505

调控金属纳米材料的晶相结构,能够改纳米材料内所有金属原子的排布方式,是调控其物理化学性质的有效策略之一。近年来,对金属纳米粒子的尺寸和形貌效应已经有了较为系统深入的研究,但关于晶相效应的研究则较少涉及。这主要是由于介稳晶相的金属纳米粒子在合成过程中或反应条件下极易转化为热力学稳定的晶相结构。Ni纳米晶是一种常见的过渡金属纳米材料,广泛应用于多种催化反应。Ni纳米晶在常温常压下是以能量最低的面心立方晶系存在,对于非立方晶系的Ni纳米晶的可控合成及研究其晶相结构与催化性能的构效关系仍然是一项重大挑战。
近日,中国科学院过程工程研究所苏发兵研究员团队(庄嘉豪博士、古芳娜副研究员),采用溶剂热合成的方法,可控制备了分别具有面心立方(fcc)晶相的正二十面体与六方密排(hcp)晶相的六棱柱Ni纳米晶。该工作深入研究了hcp晶相Ni纳米晶生长过程中独特的晶相转变(fcc→hcp)过程,实验结果与理论计算证实,hcp晶相的形成及其形貌演化过程主要源于表面活性剂聚乙烯亚胺(PEI)对hcp晶相不同晶面的选择性吸附。该工作为不同晶相结构Ni纳米材料的可控制备提供了新的思路,相关成果发表在Journal of MaterialsChemistry A(DOI: 10.1039/d0ta07985e)。


图1 不同晶相Ni纳米晶的合成示意图.

合成同时具有两种及以上晶相结构的纳米材料,即异相纳米材料,能够构建丰富的异相孪晶界面,发挥不同晶相之间的协同作用,有利于提升材料的催化性能。基于此,该课题组进一步合成了同时具有fcc与hcp晶相的异相Ni纳米晶。实验研究表明,石墨烯载体对fcc晶相的锚定作用以及表面活性剂对hcp晶相的选择性吸附行为共同促进了fcc/hcp异相结构的形成与稳定存在。制得的fcc/hcp Ni 纳米材料在硝基苯酚加氢反应中,表现出极高的反应速率常数(k = 2.958 min-1)与活性常数(K = 102 min−1 mg−1),其活性远高于目前已知的大部分贵金属与非贵金属催化剂,这主要得益于fcc/hcp两相界面处对4-NP分子更强的吸附作用。该项工作为发展高催化性能Ni纳米晶材料提供了新的研究思路,相关成果发表在Nano Research(DOI: 10.1007/s12274-021-3630-6)。


图2 fcc/hcp异相结构Ni纳米晶催化硝基苯酚加氢反应.

上述工作得到国家自然科学基金(21776286)的资助。


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