我国科学家在纳米材料表面结构及功能设计领域取得重要进展

2008年10月16日出版的《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47:9100 –9103)刊登了厦门大学化学化工学院、固体表面物理化学国家重点实验室孙世刚教授领导的课题组在纳米材料表面结构及功能设计方面的最新研究成果(“Shape-Controlled Synthesis of Gold Nanoparticles in Deep Eutectic Solvents for Studies of Structure–Functionality Relationships in Electrocatalysis”)。该成果是在国家自然科学基金等项目资助下,我国科学家在纳米材料表面结构及功能设计领域取得的重要进展。 金在通常的状态下是惰性的,很长一段时间内被认为其催化活性远远不如过渡金属。但是,自从Haruta等发现负载在金属氧化物上高度分散的金纳米粒子表现出令人惊异的催化活性后,近几年来金基催化剂体系一直是前沿的研究热点之一。 尽管金催化剂的研究和应用已经很多,但是纳米金催化剂迥异于本体金的催化活性的根源依然颇具争议。主要有以下几种观点:a.低配位数的金原子是催化反应的活性中心;b.基底的作用;C.少量的金氧化物,或者Au+是催化活性的来源;d.量子尺寸效应导致金纳米粒子性质的改变。较被认可的观点是粒子边缘的低配位数的金原子是金催化反应中的活性中心,基底对其性质有促进作用。用通常的形状控制合成方法制备的金纳米粒子大都是由低指数晶面围成的多面体,只有位于台阶和顶点的原子才具有较低配位数。通常情况下,其表面的台阶和顶点原子数比例很小,只有到达较小粒径的时候表面低配位数原子比例才有较大的提高,但是随粒子的减小其稳定性也随之下降,在使用过程中容易长大导致活性降低。 孙世刚教授课题组在长期从事原子排列结构明确的金属单晶电催化的研究中发现,高指数晶面含有的低配位原子数远远大于低指数晶面,因此若能制备高指数晶面结构的纳米粒子,必将显著提高纳米催化剂的活性和稳定性。然而,晶体生长的规律决定了垂直于高指数晶面方向的生长速度远远快于垂直于低指数表面,使得在晶体生长过程中高指数面逐渐消失,最终仅能得到低指数晶面结构的纳米粒子。因此,制备由高指数晶面所围成纳米粒子是显著提高纳米催化剂性能的崭新途径,也是纳米催化剂合成的极大挑战。 继用电化学方法制备出高指数晶面结构的二十四面体铂纳米粒子催化剂后(Science,2007,316:732-735),孙世刚教授课题组又发展了一种新的在低温共融物(DES:Deep Eutetic solvents)中控制金纳米粒子形貌和表面结构的合成方法。在室温下通过控制DES中水的含量及其变化首次合成了具有高指数晶面结构的五角星形、纳米花形,纳米刺形系列纳米金粒子,并通过紫外可见光谱对其合成过程进行了跟踪,通过高倍透射电镜直接拍摄到了纳米粒子表面高指数晶面原子的台阶状结构排列。进一步以过氧化氢电催化还原反应作为探针反应,研究了所合成的不同表面结构的金纳米粒子的催化活性。发现具有高指数晶面结构的金纳米粒子单位面积的催化活性远远大于相同面积的本体金催化剂,尤其是五角星形粒子的表面为{331}及其邻近高指数晶面结构,测得其电催化活性是本体金催化剂的14倍。 该论文的结果证实了金粒子表面的低配位数原子是催化反应中的活性中心,也是金纳米粒子优异的催化活性的来源之一。孙世刚教授等发明的方法在合成过程中条件温和,且不使用稳定剂,纳米粒子表面不会被强吸附的表面活性剂占据表面位,所使用的溶剂DES成分都是常见的没有毒性的化合物,在生物、催化等方面应用前景广阔,并且其合成方法和体系可以广泛应用到其他纳米材料的合成。 (化学化工学院 甄春花)