负载型双金属催化剂在原子层面上的精细可控合成取得重要进展

(2014-02-13)

近日，中国科学技术大学化学物理系的路军岭教授课题组在原子层面上精细设计与合成负载型双金属催化剂领域取得新进展。路军岭教授通过与美国阿贡国家实验室的J.W. Elam博士合作，成功探索到了一种普适的利用原子层沉积（ALD）技术精细合成负载型双金属催化剂方法：通过选择适当的反应温度和ALD过程所需的氧化剂或还原剂，充分利用金属ALD在金属和氧化物表面的不同生长特性，选择性地把第二种金属仅仅沉积在第一种金属纳米颗粒表面而避免在载体上成立新核（如下图），从而杜绝了单金属纳米颗粒形成的可能性；此外通过调控ALD的沉积顺序和周期，成功实现了在原子层面上对双金属纳米颗粒的大小、成份和结构的精细调控。该结果以“Toward atomically-precise synthesis of supportedbimetallic nanoparticles using atomic layerdeposition”为题在线发表在2月10日出版的Nature Communications杂志上。

众所周知，双金属纳米粒子常常由于协同效应表现出不同于其单金属自身的电学，磁学，光学和催化特性，引起了人们的广泛兴趣。其中，负载型双金属纳米颗粒在催化、电催化中有着广泛的的应用。传统的制备方法如浸渍法等往往很难能实现对双金属颗粒尺寸、成份和结构的精细调控,且通常会导致单金属和双金属颗粒混杂共存的情况。如何做到在原子层面上精细调控金属纳米颗粒的尺寸、成份和结构至今仍然是一个巨大的科学挑战。

ALD拥有原子层面上精细控制的独特技术优势,为人们在原子层面上精细设计和制备新型催化材料提供了一个很好的机遇。近几年，该技术已经成为国外多个著名研究机构尝试用来进行新型催化剂设计和制备的研究热点。尽管这样，同单金属催化剂的制备相比，利用ALD方法制备负载型双金属催化剂遇到了极大的挑战。因为不同金属ALD的反应温度和所需表面活性位类别往往不同，这使得在多数情况下人们很难把两种金属ALD结合在一起制备双金属纳米颗粒。

针对上述挑战，路军岭教授首先通过利用原位微石英天平技术对比研究了金属ALD在金属表面和氧化物表面上随沉积温度和不同氧化/还原剂的生长特性变化，成功探索到了金属ALD仅仅在金属表面生长而不在氧化物上生长的最佳条件。在该条件下，我们可以确保在沉积第二种金属时，仅仅在原有的金属颗粒表面生长同时避免在载体上成立新核而导致单金属颗粒的形成。此外，路军岭教授首次以CO为探针分子，把原位红外光谱与双金属ALD生长相结合，第一次原位观察到了双金属纳米颗粒的成份和结构随ALD沉积周期在原子层面上的精细变化。原子分辨球差矫正扫描透射电镜证实了该结果。该方法成功解决了目前双金属催化剂领域中面临的单金属和双金属纳米颗粒混杂共存的关键难题，并初步实现了在原子层面上对双金属纳米颗粒的大小、成份和结构的精细调控。
路军岭教授长期从事ALD技术在催化剂设计领域的应用研究。自2007年始，在利用ALD技术实现在原子层面上对金属催化剂的精确改性、精细设计和制备方面，并取得多项进展。相关工作已在Science、Nature Chem.、Nature Commun.、Acc. Chem. Res.和Angew. Chem. Int. Ed.等国际著名学术期刊上发表；另发表国际专利2项。