《Nature》子刊:直接观察到金属纳米粒子在碳载体的形成和稳定!

催化发光材料技术 金属结构材料技术
材料科学与工程    2021-01-15    678

  通过快速高温合成方法在碳载体上直接生成超小纳米粒子,为可规模化的纳米制造和稳定的多元素纳米粒子合成提供了新机遇。然而,纳米颗粒在高温加工过程中分散和稳定性对机理的影响,仍是一个谜。

  近日,来自美国马里兰大学的Teng Li & 胡良兵 & 美国伊利诺伊大学芝加哥分校的Reza Shahbazian-Yassar等研究者,报道了通过焦耳原位加热方法,观察了金属纳米颗子在碳载体上的形成和稳定。如需观看此文视频请关注抖音账号:材料科学网。相关论文以题为“Direct observation of the formation and stabilization of metallicnanoparticles on carbon supports”发表在NatureCommunications上。

  论文链接:https://www。nature。com/articles/s41467-020-20084-5

图片.png  衬底-负载纳米颗粒,由于其在生物医学、能源储存和催化剂等领域的广泛应用而引起了工业界的极大兴趣。碳是最常用的导电衬底,自然也很丰富。这种材料具有从零到三维的多种独特形态,可用于锚定纳米颗粒,并可按比例放大形成所需结构。到目前为止,已经发展了多种方法来合成碳负载纳米颗粒,然而,如何获得尺寸和分散性均匀的纳米颗粒仍然是一个挑战。或许,可以通过引入分散剂或表面活性剂来达到这一目的。然而,溶剂合成残留物的副作用可能是有问题的。近年来,高温干法合成技术已成功用于制备纳米颗粒,包括纯金属、多组分合金甚至单原子。该方法在合成过程中不需要添加剂,不仅降低了合成的复杂性,而且实现了“清洁”的合成策略。

  最近,研究者报道了一种快速、高温、干燥的合成方法,该方法基于快速焦耳加热负载金属盐前驱体的碳基体(碳热冲击)。该过程产生极高的温度(> 1500 K),将负载的盐前驱体热分解成金属纳米颗粒。合成的纳米粒子在碳基体上分散良好,负载速率高,尺寸可控性好。此外,通过混合各种金属盐前驱体,研究者可以得到极有希望用于下一代催化剂材料的多组分纳米合金。如需观看此文视频请关注抖音账号:材料科学网。

  尽管高温焦耳加热法具有通用性和简单性,但在高温加工过程中形成粒径小、分散良好、不聚集的纳米颗粒的机理尚不清楚。一些原子模拟,已经尝试研究金属纳米颗粒与石墨基面或缺陷基面之间的相互作用。然而,高温的影响在模拟中没有考虑。在这种情况下,这一点更为重要,因为在焦耳加热过程中,在如此高的温度下,纳米颗粒会团聚,从而降低它们的表面能量。然而,对于纳米颗粒在高温下在碳衬底上的稳定性还缺乏了解。纳米尺度的原位表征技术,特别是原位透射电子显微镜(TEM)已经显示出在前所未有的高空间分辨率下,监测各种纳米尺度材料的动力学过程的能力。

  在此,研究者利用电偏压原位TEM装置,模拟高温冲击方法,并研究在此过程中纳米颗粒在碳载体上的形成和稳定性。研究发现,金属纳米颗粒的形成与非晶态碳转化为高缺陷湍层石墨同步相变(T-石墨)有关。分子动力学(MD)模拟表明:缺陷T-石墨为纳米颗粒的形成提供了许多成核位点。此外,纳米粒子部分嵌入并扎根于边缘平面,导致支架上具有较高的结合能。纳米粒子与T-石墨基体之间的相互作用增强了纳米粒子的锚定作用,并为纳米粒子提供了良好的热稳定性。

图片.png  图1 电焦耳加热原位透射电镜观察Pt纳米颗粒在H2PtCl6负载的CNF上的形成。

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  图2 焦耳加热过程中含盐非晶CNF的结构评价。

图片.png  图3 焦耳加热过程中原始非晶CNF演化的TEM和EDS分析。

图片.png  图4 应用~40μW输入功率对碳纤维的焦耳加热过程进行了有限元分析。

图片.png  图5 单元素和多元素纳米粒子在焦耳加热S-CNFs上的HRTEM和STEM表征。

图片.png  图6 具有边缘平面的T-石墨存在下Pt团簇的形态推导。

图片.png  图7原位退火法研究纳米铂在CNF载体上的热稳定性。

  综上所述,研究者工作提供了纳米颗粒在非晶碳载体上的直接可视化,并阐明了非晶碳在电焦耳加热过程中超快暴露于极高温度下的石墨化细节。焦耳热在非晶碳纤维上的原位TEM研究表明,在焦耳热过程中,CNFs由于非晶-晶态相变发生体积膨胀,这也与碳载体上金属纳米颗粒的形成和稳定有关。这些发现为碳载体上金属纳米颗粒的高温快速合成及其稳定性的起源,提供了机理上的理解。(文:水生)

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