金属纳米催化剂表面结构控制合成与性能调控介绍.PDF

ANALYSIS OF CHINESE HOT PAPERS 中国化学研究热点论文特约稿 金属纳米催化剂表面结构 控制合成与性能调控 周志有 田 娜 孙世刚* 厦门大学化学化工学院化学系固体表面物理化学国家重点实验室 厦门361005 通讯作者 Email: sgsun@xmu.edu.cn 铂族金属纳米材料是燃料电池、石油化工、汽车尾 {111}结构(Science, 1996, 272, 1924) 。随后的10多年间， 气净化等重大领域中广泛使用的催化剂。由于铂族金属 尽管很多研究者通过化学还原法相继合成了大量的Pt纳 资源匮乏，价格高昂，如何进一步提高其纳米材料的催 米晶体，但其表面依旧局限于{100 }和{111}结构，其催 化活性、稳定性和利用效率一直是催化、电催化等领域 化活性显著低于具有开放表面结构的纳米晶体。 中的重大关键问题。 由高指数晶面围成的金属纳米晶体的形状比较复 以表面原子排列结构明确的金属单晶面作为模型催 杂。对于面心立方晶体(Pt , Pd, Au 等) ，当晶面类型为 化剂的基础研究指出，铂族金属单晶的高指数晶面不 {hk0 }、{hhk }、{hkk }、{hkl }(hkl0)时，相应的晶体 仅催化活性高、而且稳定性好。通常将其归结于高指数 形状呈二十四面体、三八面体、偏方三八面体和六八面 晶面具有高密度的位于台阶位和纽结位的原子，即具有 体(见图1) 。在自然界中，二十四面体是一种十分罕见的 开放的表面结构。我们进一步的深入研究发现(J. Phys. 晶体形状，仅在金刚石、萤石、铜矿和金矿等矿物中发 Chem. C, 2008, 112, 1980 1) ，高指数晶面具有高催化活 现过极少数不完美的二十四面体晶体。 性和稳定性源于在其表面形成了高密度的、处于短程有 我们基于长期研究金属单晶模型催化剂获取的基本 序环境的催化活性中心，由位于台阶和平台上的5到6个 规律，创建了可控制金属纳米晶体表面结构的电化学生 原子组成，它们协同作用催化反应过程。燃料电池、石 长方法。突破金属晶体生长趋于最低表面能规则的限 油化工等重大应用领域中的实际催化剂都是负载到不同 载体的金属纳米粒子，因此合成具有开放表面结构的金 菱形十二面体 属纳米晶是显著提高催化剂活性和稳定性的重要途径。 但是，高指数晶面具有很高的表面能，根据晶体生长规 律，金属晶体在生长过程中沿高指数晶面方向生长的速 度远快于沿低指数晶面方向，导致高指数晶面趋于消 失，最终生成的纳米晶表面主要由表面原子密集排列、 二十四面体 三八面体 低表面能的{111}、{100 }等低指数晶面组成，相应的纳 六八面体 米晶体为四面体、八面体、截角八面体、立方体等形 状。例如1996年El-Sayed 研究组报道他们采用H 化学还 2 八面体 立方体 原K PtC ，以聚丙烯酸钠为稳定剂，首次合成了立方体 偏方三八面体 2 l4 和四面体形状的Pt纳米晶催化剂，其表面分别为{100 }和 图1 面心立方金属不同单晶面围成的多面体形状  SCIENCE FOCUS Vol. 5 No. 6 2010