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南京工業大學王亞雯:摻雜誘導合成金鈀合金納米線及其晶相結構的動力學調控2023-11-18

背景介紹

一維(1D)合金納米材料具有獨特的物理化學性質,廣泛應用于催化、傳感、光電子和能源等各個領域。與單金屬體系相比,合金化能改變金屬原子的空間排列和金屬的電子結構,從而使材料的性能,如催化劑材料的催化活性、選擇性和穩定性等得到提升。
異質摻雜是合成合金納米線的一種有效策略。該類方法基于預合成的金屬納米線進行合金化處理,可以規避相對較為困難的合金納米晶體的一維生長,并提供很好的表面修飾。目前,研究者們普遍認為,當第二種金屬沉積在現有的金屬納米結構上時,根據晶格失配程度的不同,會出現三種不同的生長模式:Frankvan der Merwe(FM)模式,在該模式中,低晶格失配的金屬會根據原始晶格逐層沉積在表面,形成均勻的殼層;Volmer-Weber(VW)模式,一般發生于晶格失配率較高的金屬沉積時,會在已有金屬的表面進行島狀沉積或者形成Jauns結構;STransky-Krastanov(SK)模式,這是處在VW模式和FM模式之間的一種生長模式,沉積金屬首先在原始晶格表面逐層沉積形成一個薄的同心殼,但晶格應變會隨著殼層厚度增長逐漸累積,并最終切換到不連續逐層沉積,產生島狀或偏心結構。

 

研究方法

基于此,南京工業大學王亞雯教授團隊通過對異質摻雜時的金屬沉積動力學進行調控,在具有不同形貌的金納米線表面沉積鈀,合成了具有不同沉積模式和晶格結構的金鈀合金納米線。鈀金屬的沉積動力學主要通過對配位環境以及還原速率的調控進行調控。團隊使用TEM、XPS、XRD等表征手段對不同合金納米線的形貌、晶格結構進行了表征。探討了金屬沉積過程中還原劑以及配體對金屬沉積的調節作用。并測試了各種不同形貌的金鈀合金納米線的氧還原(ORR)和乙醇氧化(EOR)的催化性質。

成果簡介

具體結果包括:(1)合成了具有不同形貌的各種金鈀合金納米線;形貌表征顯示五種不同形貌的納米線分別為具有島狀結構的“SK”型合金納米線、逐層沉積的“FM”型合金納米線、具有螺旋形貌的螺旋合金納米線、“麻花”型合金納米線束以及折線納米環。(2)對各種不同納米線的晶格結構進行了表征,其中,SK和FM型合金納米線依舊延續了超細金納米線原始的fcc晶格結構,但晶格間距相較于金納米線都表現出了一致的晶格收縮,表明金與鈀原子之間存在著相互擴散并形成了合金;在螺旋型和麻花型的金鈀合金納米線中,晶格結構發生了高度扭曲,不再是原先的fcc晶格結構。(3)通過調節還原劑L-抗壞血酸以及表面配體油胺的濃度,探究了各種不同合金納米線的形成機理。證實了隨著金屬沉積速率的降低,鈀的沉積模式逐漸從島狀沉積(SK)轉變為逐層沉積(FM),再到非傳統的扭轉模式。超細納米線中,表層金屬的沉積會影響金鈀原子的擴散以及對應的納米線扭轉和形貌變化。(4)所有不同種類的合金納米線都表現出了優于商業Pd/C和Pt/C的ORR和EOR活性,其中SK型金鈀合金納米線表現出了最佳的催化活性與穩定性,而金納米螺旋線具有很好的ORR穩定性。

圖文導讀

1

圖1 (a)超細金納米線和(b)金納米環的TEM圖像;(c)FM Au-Pd合金納米線,(d)SK Au-Pd合金納米線,(e)納米繩,(f)麻花和(g)具有隨機彎曲或彎曲段的納米環的TEM圖像;標尺:20 nm。

2

圖2 (a)SK Au-Pd合金納米線,(b)FM Au-Pd合金納米線,(c)納米繩和(d)具有隨機彎曲或彎曲段的納米環的HRTEM圖像。插圖是所選區域的FFT圖像。(e-h)HAADFSTEM圖像和相應的EDS映射結果對應于(a-d)。

3

圖3 不同油胺和還原劑濃度下Au-Pd合金納米線的透射電鏡圖像;比例尺:50 nm。

5

圖4 (a-f)SK Au-Pd合金納米線、FMAu-Pd合金NWs、Au-Pd納米繩子、商業Pt/C和Pd/C對ORR的電催化性能。(a)不同催化劑在O2飽和的0.1 M KOH電解液中的極化曲線;(b)不同催化劑的半波勢和質量活性;(c-f)各種不同催化劑以及商業Pt/C和商業Pd/C在10000次電位循環前后的ORR極化曲線。(g-i)各種不同納米線以及商業Pt/C和Pd/C對EOR的電催化性能。(g)不同催化劑在N??飽和1M NaOH和1M乙醇電解液中的CV曲線。(h)不同催化劑的質量和比活度。(i)不同催化劑在0.968 V(相對于RHE)下的計時安培圖。

作者簡介

王亞雯,南京工業大學化學與分子工程學院教授,碩士生導師。2010年本科畢業于新加坡南洋理工大學;2014年于新加坡南洋理工大學獲得博士學位,2015年擔任新加坡南洋理工大學數理學院研究員;2016年在新加坡南洋理工大學化工學院從事博士后研究;2016年至今,為南京工業大學化學與分子工程學院教授。主要研究方向為低維納米材料合成及其衍生復合材料在電催化領域的應用。
聯系方式:ias_ywwang@njtech.edu.cn。

文章信息

Jin H, Wei X, Zhao L, et al. Modulating the alloying mode in the doping-induced synthesis of Au-Pd nanowires. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6095-y.

 

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