二維負載型金屬納米復合材料研究取得進展

　　超薄金屬納米材料作為一類性能獨特的二維材料，已在催化、電子/光電子、能量存儲和轉換、傳感、生物醫學等領域展現出廣闊的應用前景。其大的比表面積和表面豐富的配位不飽和原子作為結構新穎的催化劑載體用以負載各種金屬納米顆粒，從而構建零維（0D）/二維（2D）負載型金屬納米結構，對設計開發高性能金屬催化劑具有重要意義。 然而，制備負載型金屬納米復合材料的傳統方法存在步驟繁瑣、耗時長、成本較高等缺點，不利于大規模工業應用。因此，開發簡易有效的制備方法十分重要。

　　此前，中國科學院國家納米科學中心研究人員通過合理設計合成體系，控制還原動力學，提出一種改進的晶種生長法，一鍋制得鉑銠（PtRh）納米顆粒包覆的梯形銠（Rh）納米片（Cai, Yang et al., Chem. Mater. 2019, 31, 808）。利用該方法形成的PtRh/Rh納米復合結構對氧分子有高效的活化能力，表現出協同增強的類似氧化物酶催化活性（圖1）。研究結果為制備新型Pt基納米復合材料提供了簡便有效的途徑。

　　目前，各種構建負載型金屬納米結構的方法幾乎都需要加入表面活性劑用以穩定特定片層結構，以及增強金屬與載體之間的相接觸等。然而，表面活性劑分子可能會遮蔽活性位點，降低催化活性。此外，制備過程往往需要高溫高壓條件，給操作帶來安全隱患。近日，該團隊研究人員在一鍋法制備二維負載型金屬納米復合材料研究方面取得了新進展，發展出一種晶種生長-Galvanic置換反應-自組裝方法，構建出鈀（Pd）片內嵌金（Au）納米顆粒的新型結構，其具有類似“蛋仔/華夫餅”的形貌特征。

　　制備過程無需表面活性劑，在室溫下將金屬前驅體溶于溶劑后，鼓泡通入CO氣體即可有效啟動合成。機理研究發現，體系首先形成Pd0原子/團簇為晶種，隨后Pd0與Au3+的置換反應自發形成Au 顆粒，Pd前驅體在Au顆粒周圍發生還原并沿Pd（111）面組裝成Pd片，最終形成Pd片內嵌Au顆粒的結構（圖2）。通過改變前驅體摩爾比，即可精確調控金屬組成。

　　在上述二維鈀金納米復合材料制備的基礎上，國家納米中心研究員楊蓉、副研究員蔡雙飛和武漢大學教授何軍及威斯康辛州麥迪遜分校教授Randall Goldsmith合作，對其應用開展了進一步研究。研究發現，這種內嵌式的二維獨特多金屬納米復合結構、干凈的表面與Au顆粒的表面等離激元共振效應，使其具有較好的光增強的類酶催化活性，并在等離激元增強的電催化析氫反應和中表現出超高的活性和穩定性。電磁學數值模擬分析結果表明，在這類結構中，光場激發的特殊表面等離子激元模式更有助于熱電子在Pd片表面產生和富集，并且兩種等離子激元能量轉移途徑在降低反應表觀活化能，進而提高電催化性能中扮演重要角色。該工作為等離子激元增強的催化劑設計和應用提供了思路。

　　相關研究成果發表在ACS Catalysis上。研究工作得到中科院戰略性先導科技專項（B類）、科技部重點研發計劃和國家自然科學基金等的支持。

　　論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c03811

圖1.一鍋法制備PtRh/Rh納米復合材料及其催化氧化反應的示意圖

圖2.一鍋法制備Pd片內嵌Au納米顆粒復合材料的示意圖