咨询电话:021-58952328
南京工业大学王亚雯:掺杂诱导合成金钯合金纳米线及其晶相结构的动力学调控2023-11-18

背景介绍

一维(1D)合金纳米材料具有独特的物理化学性质,广泛应用于催化、传感、光电子和能源等各个领域。与单金属体系相比,合金化能改变金属原子的空间排列和金属的电子结构,从而使材料的性能,如催化剂材料的催化活性、选择性和稳定性等得到提升。
异质掺杂是合成合金纳米线的一种有效策略。该类方法基于预合成的金属纳米线进行合金化处理,可以规避相对较为困难的合金纳米晶体的一维生长,并提供很好的表面修饰。目前,研究者们普遍认为,当第二种金属沉积在现有的金属纳米结构上时,根据晶格失配程度的不同,会出现三种不同的生长模式:Frankvan der Merwe(FM)模式,在该模式中,低晶格失配的金属会根据原始晶格逐层沉积在表面,形成均匀的壳层;Volmer-Weber(VW)模式,一般发生于晶格失配率较高的金属沉积时,会在已有金属的表面进行岛状沉积或者形成Jauns结构;STransky-Krastanov(SK)模式,这是处在VW模式和FM模式之间的一种生长模式,沉积金属首先在原始晶格表面逐层沉积形成一个薄的同心壳,但晶格应变会随着壳层厚度增长逐渐累积,并最终切换到不连续逐层沉积,产生岛状或偏心结构。

 

研究方法

基于此,南京工业大学王亚雯教授团队通过对异质掺杂时的金属沉积动力学进行调控,在具有不同形貌的金纳米线表面沉积钯,合成了具有不同沉积模式和晶格结构的金钯合金纳米线。钯金属的沉积动力学主要通过对配位环境以及还原速率的调控进行调控。团队使用TEM、XPS、XRD等表征手段对不同合金纳米线的形貌、晶格结构进行了表征。探讨了金属沉积过程中还原剂以及配体对金属沉积的调节作用。并测试了各种不同形貌的金钯合金纳米线的氧还原(ORR)和乙醇氧化(EOR)的催化性质。

成果简介

具体结果包括:(1)合成了具有不同形貌的各种金钯合金纳米线;形貌表征显示五种不同形貌的纳米线分别为具有岛状结构的“SK”型合金纳米线、逐层沉积的“FM”型合金纳米线、具有螺旋形貌的螺旋合金纳米线、“麻花”型合金纳米线束以及折线纳米环。(2)对各种不同纳米线的晶格结构进行了表征,其中,SK和FM型合金纳米线依旧延续了超细金纳米线原始的fcc晶格结构,但晶格间距相较于金纳米线都表现出了一致的晶格收缩,表明金与钯原子之间存在着相互扩散并形成了合金;在螺旋型和麻花型的金钯合金纳米线中,晶格结构发生了高度扭曲,不再是原先的fcc晶格结构。(3)通过调节还原剂L-抗坏血酸以及表面配体油胺的浓度,探究了各种不同合金纳米线的形成机理。证实了随着金属沉积速率的降低,钯的沉积模式逐渐从岛状沉积(SK)转变为逐层沉积(FM),再到非传统的扭转模式。超细纳米线中,表层金属的沉积会影响金钯原子的扩散以及对应的纳米线扭转和形貌变化。(4)所有不同种类的合金纳米线都表现出了优于商业Pd/C和Pt/C的ORR和EOR活性,其中SK型金钯合金纳米线表现出了最佳的催化活性与稳定性,而金纳米螺旋线具有很好的ORR稳定性。

图文导读

1

图1 (a)超细金纳米线和(b)金纳米环的TEM图像;(c)FM Au-Pd合金纳米线,(d)SK Au-Pd合金纳米线,(e)纳米绳,(f)麻花和(g)具有随机弯曲或弯曲段的纳米环的TEM图像;标尺:20 nm。

2

图2 (a)SK Au-Pd合金纳米线,(b)FM Au-Pd合金纳米线,(c)纳米绳和(d)具有随机弯曲或弯曲段的纳米环的HRTEM图像。插图是所选区域的FFT图像。(e-h)HAADFSTEM图像和相应的EDS映射结果对应于(a-d)。

3

图3 不同油胺和还原剂浓度下Au-Pd合金纳米线的透射电镜图像;比例尺:50 nm。

5

图4 (a-f)SK Au-Pd合金纳米线、FMAu-Pd合金NWs、Au-Pd纳米绳子、商业Pt/C和Pd/C对ORR的电催化性能。(a)不同催化剂在O2饱和的0.1 M KOH电解液中的极化曲线;(b)不同催化剂的半波势和质量活性;(c-f)各种不同催化剂以及商业Pt/C和商业Pd/C在10000次电位循环前后的ORR极化曲线。(g-i)各种不同纳米线以及商业Pt/C和Pd/C对EOR的电催化性能。(g)不同催化剂在N₂ 饱和1M NaOH和1M乙醇电解液中的CV曲线。(h)不同催化剂的质量和比活度。(i)不同催化剂在0.968 V(相对于RHE)下的计时安培图。

作者简介

王亚雯,南京工业大学化学与分子工程学院教授,硕士生导师。2010年本科毕业于新加坡南洋理工大学;2014年于新加坡南洋理工大学获得博士学位,2015年担任新加坡南洋理工大学数理学院研究员;2016年在新加坡南洋理工大学化工学院从事博士后研究;2016年至今,为南京工业大学化学与分子工程学院教授。主要研究方向为低维纳米材料合成及其衍生复合材料在电催化领域的应用。
联系方式: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.

 

最新产品
园区介绍